Lindem 13 jan 2008

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210 - varingr 2009

Viktig informasjon til alle studenterHusk

1 februar er siste frist forbetaling av semesteravgift

semesterregistreringmelding til eksamen

aring soslashke om tilrettelegging ved eksamen

1

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Dersom det ikke staringr rdquoBetaltrdquo og rdquoJardquo under semesteravgift og semesterregistrert risikerer du aring ikke faring ta eksamen og aring miste din studierettHar du problemer ta kontakt med MN studieinfosenter i Fysikkbygningen Vilhelm Bjerknes hus

FOslashR 1 februar

2

3

Applied Physics and Electrical Engineering

Torfinn Lindem Fysisk inst UiO

Studieprogrammet Elektronikk og Datateknologi ndash ELDAT ndash bilde fra Minlab

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Komponentlaeligrebull Kretselektronikkbull Elektriske ledere

halvlederebull Dopingbull Dioder - lysdioderbull Bipolare transistorerbull Unipolare

komponenter FET MOS CMOS

4FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Digitale kretsfamilierbull Operasjonsforsterkerebull Tilbakekoplingbull Analog computingbull Frekvensrespons

Bodeplotbull Digital til analog DAbull Analog til digital ADbull Signalgeneratorer

5FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Signalbehandlingbull Radiokommunikasjonbull GSM bull Antennerbull Kraftforsyningbull Maringleteknikkbull Sensorer

Globalt System for Mobilkommunikasjon

6FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

7

14 Jan 06

Den nye laeligreplanen i fysikk for videregaringende skole -

Fysikk og teknologi - ElektronikkMaringl for opplaeligringen er at eleven skal kunne

1 gjoslashre rede for forskjellen mellom ledere halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell og forklare doping av halvleder

2 sammenligne oppbygningen og forklare virkemaringten til en diode og en transistor og gi eksempler paringbruken av dem

3 gjoslashre rede for virkemaringten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video

4 gjoslashre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for maringlinger

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull LaeligrebokElectronics TechnologyFundamentals Robert Paynter amp BJToby Boydell

bull Gammel bokfra FYS108204MicroelectronicsJacob Millman ampArvin Grable

FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver8

9

Lindem 3112 07Fysikk og teknologi ndash Elektronikk FYS 1210

Skal vi forstaring moderne elektronikk - maring vi foslashrst beherske elementaeligr lineaeligr kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander kondensatorer og spoler

1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov U = R middot I og P = U middot I

2 ) Kirchhof rdquoloverrdquo om distribusjon av stroslashmmer og spenninger i en krets

3 ) Thevenins teorem

4 ) Superposisjonsprinsippet

Skjema viser en FM-stereo sender ndash etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Dersom det ikke staringr rdquoBetaltrdquo og rdquoJardquo under semesteravgift og semesterregistrert risikerer du aring ikke faring ta eksamen og aring miste din studierettHar du problemer ta kontakt med MN studieinfosenter i Fysikkbygningen Vilhelm Bjerknes hus

FOslashR 1 februar

2

3

Applied Physics and Electrical Engineering

Torfinn Lindem Fysisk inst UiO

Studieprogrammet Elektronikk og Datateknologi ndash ELDAT ndash bilde fra Minlab

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Komponentlaeligrebull Kretselektronikkbull Elektriske ledere

halvlederebull Dopingbull Dioder - lysdioderbull Bipolare transistorerbull Unipolare

komponenter FET MOS CMOS

4FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Digitale kretsfamilierbull Operasjonsforsterkerebull Tilbakekoplingbull Analog computingbull Frekvensrespons

Bodeplotbull Digital til analog DAbull Analog til digital ADbull Signalgeneratorer

5FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Signalbehandlingbull Radiokommunikasjonbull GSM bull Antennerbull Kraftforsyningbull Maringleteknikkbull Sensorer

Globalt System for Mobilkommunikasjon

6FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

7

14 Jan 06

Den nye laeligreplanen i fysikk for videregaringende skole -

Fysikk og teknologi - ElektronikkMaringl for opplaeligringen er at eleven skal kunne

1 gjoslashre rede for forskjellen mellom ledere halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell og forklare doping av halvleder

2 sammenligne oppbygningen og forklare virkemaringten til en diode og en transistor og gi eksempler paringbruken av dem

3 gjoslashre rede for virkemaringten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video

4 gjoslashre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for maringlinger

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull LaeligrebokElectronics TechnologyFundamentals Robert Paynter amp BJToby Boydell

bull Gammel bokfra FYS108204MicroelectronicsJacob Millman ampArvin Grable

FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver8

9

Lindem 3112 07Fysikk og teknologi ndash Elektronikk FYS 1210

Skal vi forstaring moderne elektronikk - maring vi foslashrst beherske elementaeligr lineaeligr kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander kondensatorer og spoler

1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov U = R middot I og P = U middot I

2 ) Kirchhof rdquoloverrdquo om distribusjon av stroslashmmer og spenninger i en krets

3 ) Thevenins teorem

4 ) Superposisjonsprinsippet

Skjema viser en FM-stereo sender ndash etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

3

Applied Physics and Electrical Engineering

Torfinn Lindem Fysisk inst UiO

Studieprogrammet Elektronikk og Datateknologi ndash ELDAT ndash bilde fra Minlab

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Komponentlaeligrebull Kretselektronikkbull Elektriske ledere

halvlederebull Dopingbull Dioder - lysdioderbull Bipolare transistorerbull Unipolare

komponenter FET MOS CMOS

4FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Digitale kretsfamilierbull Operasjonsforsterkerebull Tilbakekoplingbull Analog computingbull Frekvensrespons

Bodeplotbull Digital til analog DAbull Analog til digital ADbull Signalgeneratorer

5FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Signalbehandlingbull Radiokommunikasjonbull GSM bull Antennerbull Kraftforsyningbull Maringleteknikkbull Sensorer

Globalt System for Mobilkommunikasjon

6FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

7

14 Jan 06

Den nye laeligreplanen i fysikk for videregaringende skole -

Fysikk og teknologi - ElektronikkMaringl for opplaeligringen er at eleven skal kunne

1 gjoslashre rede for forskjellen mellom ledere halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell og forklare doping av halvleder

2 sammenligne oppbygningen og forklare virkemaringten til en diode og en transistor og gi eksempler paringbruken av dem

3 gjoslashre rede for virkemaringten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video

4 gjoslashre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for maringlinger

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull LaeligrebokElectronics TechnologyFundamentals Robert Paynter amp BJToby Boydell

bull Gammel bokfra FYS108204MicroelectronicsJacob Millman ampArvin Grable

FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver8

9

Lindem 3112 07Fysikk og teknologi ndash Elektronikk FYS 1210

Skal vi forstaring moderne elektronikk - maring vi foslashrst beherske elementaeligr lineaeligr kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander kondensatorer og spoler

1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov U = R middot I og P = U middot I

2 ) Kirchhof rdquoloverrdquo om distribusjon av stroslashmmer og spenninger i en krets

3 ) Thevenins teorem

4 ) Superposisjonsprinsippet

Skjema viser en FM-stereo sender ndash etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Komponentlaeligrebull Kretselektronikkbull Elektriske ledere

halvlederebull Dopingbull Dioder - lysdioderbull Bipolare transistorerbull Unipolare

komponenter FET MOS CMOS

4FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Digitale kretsfamilierbull Operasjonsforsterkerebull Tilbakekoplingbull Analog computingbull Frekvensrespons

Bodeplotbull Digital til analog DAbull Analog til digital ADbull Signalgeneratorer

5FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Signalbehandlingbull Radiokommunikasjonbull GSM bull Antennerbull Kraftforsyningbull Maringleteknikkbull Sensorer

Globalt System for Mobilkommunikasjon

6FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

7

14 Jan 06

Den nye laeligreplanen i fysikk for videregaringende skole -

Fysikk og teknologi - ElektronikkMaringl for opplaeligringen er at eleven skal kunne

1 gjoslashre rede for forskjellen mellom ledere halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell og forklare doping av halvleder

2 sammenligne oppbygningen og forklare virkemaringten til en diode og en transistor og gi eksempler paringbruken av dem

3 gjoslashre rede for virkemaringten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video

4 gjoslashre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for maringlinger

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull LaeligrebokElectronics TechnologyFundamentals Robert Paynter amp BJToby Boydell

bull Gammel bokfra FYS108204MicroelectronicsJacob Millman ampArvin Grable

FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver8

9

Lindem 3112 07Fysikk og teknologi ndash Elektronikk FYS 1210

Skal vi forstaring moderne elektronikk - maring vi foslashrst beherske elementaeligr lineaeligr kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander kondensatorer og spoler

1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov U = R middot I og P = U middot I

2 ) Kirchhof rdquoloverrdquo om distribusjon av stroslashmmer og spenninger i en krets

3 ) Thevenins teorem

4 ) Superposisjonsprinsippet

Skjema viser en FM-stereo sender ndash etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Digitale kretsfamilierbull Operasjonsforsterkerebull Tilbakekoplingbull Analog computingbull Frekvensrespons

Bodeplotbull Digital til analog DAbull Analog til digital ADbull Signalgeneratorer

5FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Signalbehandlingbull Radiokommunikasjonbull GSM bull Antennerbull Kraftforsyningbull Maringleteknikkbull Sensorer

Globalt System for Mobilkommunikasjon

6FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

7

14 Jan 06

Den nye laeligreplanen i fysikk for videregaringende skole -

Fysikk og teknologi - ElektronikkMaringl for opplaeligringen er at eleven skal kunne

1 gjoslashre rede for forskjellen mellom ledere halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell og forklare doping av halvleder

2 sammenligne oppbygningen og forklare virkemaringten til en diode og en transistor og gi eksempler paringbruken av dem

3 gjoslashre rede for virkemaringten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video

4 gjoslashre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for maringlinger

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull LaeligrebokElectronics TechnologyFundamentals Robert Paynter amp BJToby Boydell

bull Gammel bokfra FYS108204MicroelectronicsJacob Millman ampArvin Grable

FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver8

9

Lindem 3112 07Fysikk og teknologi ndash Elektronikk FYS 1210

Skal vi forstaring moderne elektronikk - maring vi foslashrst beherske elementaeligr lineaeligr kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander kondensatorer og spoler

1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov U = R middot I og P = U middot I

2 ) Kirchhof rdquoloverrdquo om distribusjon av stroslashmmer og spenninger i en krets

3 ) Thevenins teorem

4 ) Superposisjonsprinsippet

Skjema viser en FM-stereo sender ndash etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull Signalbehandlingbull Radiokommunikasjonbull GSM bull Antennerbull Kraftforsyningbull Maringleteknikkbull Sensorer

Globalt System for Mobilkommunikasjon

6FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

7

14 Jan 06

Den nye laeligreplanen i fysikk for videregaringende skole -

Fysikk og teknologi - ElektronikkMaringl for opplaeligringen er at eleven skal kunne

1 gjoslashre rede for forskjellen mellom ledere halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell og forklare doping av halvleder

2 sammenligne oppbygningen og forklare virkemaringten til en diode og en transistor og gi eksempler paringbruken av dem

3 gjoslashre rede for virkemaringten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video

4 gjoslashre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for maringlinger

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull LaeligrebokElectronics TechnologyFundamentals Robert Paynter amp BJToby Boydell

bull Gammel bokfra FYS108204MicroelectronicsJacob Millman ampArvin Grable

FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver8

9

Lindem 3112 07Fysikk og teknologi ndash Elektronikk FYS 1210

Skal vi forstaring moderne elektronikk - maring vi foslashrst beherske elementaeligr lineaeligr kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander kondensatorer og spoler

1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov U = R middot I og P = U middot I

2 ) Kirchhof rdquoloverrdquo om distribusjon av stroslashmmer og spenninger i en krets

3 ) Thevenins teorem

4 ) Superposisjonsprinsippet

Skjema viser en FM-stereo sender ndash etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

7

14 Jan 06

Den nye laeligreplanen i fysikk for videregaringende skole -

Fysikk og teknologi - ElektronikkMaringl for opplaeligringen er at eleven skal kunne

1 gjoslashre rede for forskjellen mellom ledere halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell og forklare doping av halvleder

2 sammenligne oppbygningen og forklare virkemaringten til en diode og en transistor og gi eksempler paringbruken av dem

3 gjoslashre rede for virkemaringten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video

4 gjoslashre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for maringlinger

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull LaeligrebokElectronics TechnologyFundamentals Robert Paynter amp BJToby Boydell

bull Gammel bokfra FYS108204MicroelectronicsJacob Millman ampArvin Grable

FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver8

9

Lindem 3112 07Fysikk og teknologi ndash Elektronikk FYS 1210

Skal vi forstaring moderne elektronikk - maring vi foslashrst beherske elementaeligr lineaeligr kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander kondensatorer og spoler

1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov U = R middot I og P = U middot I

2 ) Kirchhof rdquoloverrdquo om distribusjon av stroslashmmer og spenninger i en krets

3 ) Thevenins teorem

4 ) Superposisjonsprinsippet

Skjema viser en FM-stereo sender ndash etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

bull LaeligrebokElectronics TechnologyFundamentals Robert Paynter amp BJToby Boydell

bull Gammel bokfra FYS108204MicroelectronicsJacob Millman ampArvin Grable

FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver8

9

Lindem 3112 07Fysikk og teknologi ndash Elektronikk FYS 1210

Skal vi forstaring moderne elektronikk - maring vi foslashrst beherske elementaeligr lineaeligr kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander kondensatorer og spoler

1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov U = R middot I og P = U middot I

2 ) Kirchhof rdquoloverrdquo om distribusjon av stroslashmmer og spenninger i en krets

3 ) Thevenins teorem

4 ) Superposisjonsprinsippet

Skjema viser en FM-stereo sender ndash etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

9

Lindem 3112 07Fysikk og teknologi ndash Elektronikk FYS 1210

Skal vi forstaring moderne elektronikk - maring vi foslashrst beherske elementaeligr lineaeligr kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander kondensatorer og spoler

1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov U = R middot I og P = U middot I

2 ) Kirchhof rdquoloverrdquo om distribusjon av stroslashmmer og spenninger i en krets

3 ) Thevenins teorem

4 ) Superposisjonsprinsippet

Skjema viser en FM-stereo sender ndash etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

copy Lindem 23 April 2008

Kretsteknikk ndash en gammel historie

10

AmpereistroslashmmenelektriskeDenIOhmimotstandenelektriskeDenRVoltispenningenelektriskeDenURUI

IURIRUlovOhms

===

==sdot=

Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 )

Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 ndashDie galvanische Kette mathematisch bearbeitet- En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette = lenke kjede )

321

321

1111RRRR

RRRR

T

T

++=

++=

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Kretsteknikk ndash ( Gustav Robert Kirchhoff ndash 1845 )

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om stroslashmmer Summen av stroslashmmene rundt et knutepunkter null Stroslashm inn = stroslashm ut

4321 iiii +=+

Kirchhoffrsquos rdquolovrdquo om spenningerSummen av av alle spenninger i en lukket sloslashyfe ndash summert i en retning er null

Batt

R3

R2

R1 V1

V2

V3

VBATT

0321

321

=+++++=VVVVVVVV

BATT

BATT

SpenningsdelerSpenningen fra en spenningsdeler bestemmes av stoslashrrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

Batt R2

R1

V2

VBATT

BATTVRR

RV sdot+

=21

22 11

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Kretsteknikk ndash

Superposisjonsprinsippet

Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk ndash Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde

Hvor stor er spenningen over R1

12

1 Kortslutt foslashrst batteriet paring 15 volt -beregn bidraget fra 3 volt batteri

2 Kortslutt batteriet paring 3 volt ndashberegn bidraget fra 15 volt batteri

3 Summer bidragene -

VR1 = 1 v + 5 v = 6 volt

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Kretsteknikk ndash ( Helmholtz 1853 ndash Leacuteon Charles Theacutevenin 1883 )

Theacuteveninrsquos teoremEthvert lineaeligrt topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) naringr alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre stroslashmkilder er brutt

R2

R3

R1

VB R3

R2R1

BTH VRRR

RV sdot++

=321

3

321

321321

)()(RRRRRRRRRRTH ++sdot+

=+=

Edward Lawry Norton - 1926 ndash en utvidelse av Theacutevenins teorem ndash stroslashmkilde || motstand 13

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Kretsteknikk ndash Spenningskilder - batterier

Ideell spenningskilde ndash eller perfekt spenningskildeLeverer en utgangsspenning som er konstant ndashuansett hvor mye stroslashm den leverer

Reell spenningskilde ndash utgangsspenningen vil variere med stroslashmmen Alle spenningskilder har en indre motstand RS( Batterier antenner signalgeneratorer og nerveceller ndash alle har en indre motstand som vil paringvirke stroslashmmen ut fra kilden )

Lommelyktbatteri ndash RI asymp 1 - 10 Ω Bilbatteri ndash RI asymp 001 ndash 01Ω

14

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Kretsteknikk ndash

Maksimal effektoverfoslashringLastmotstanden maring tilpasses signalkildens indre motstand Vi faringr maksimal effektoverfoslashring naringr lastmotstanden RL = kildens indre motstand RIDette har stor betydning naringr vi skal overfoslashre signaler feks fra en TV-antenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) ndash kabel - 60 ev 240 ohm

15

Effe

kt W

Et regneeksempel med Excel ndash10 volt batteri med indre motstand

RI = 10 ohm ndash finn verdien til RL som gir

maksimal effektoverfoslashring P RL MAX

RUP

2=

BL

LRL

L

RLRL V

RRRU

R)U(P sdot

+==

1

2

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Hvem rdquofantrdquo elektronet

13 februar 1880 - Thomas A Edison arbeider med forbedringer av lyspaeligra ( vi har labjournalen )Problem Glasset i lyspaeligra blir svart pga kullpartikersom sendes ut fra gloslashdetraringden

Edison --- if the carbon particles are charged - it should be possible to draw them to a separate electrode - away from the glass --Furthermore - it should be possible to measure the electric current to this electrode - February 13 1880

Ampmeter

e

Anode +

GloslashdetraringdKatode

+

Lampeglasset forble svart ndash men Edison observerer naringr elektroden (anoden) er tilfoslashrt positiv spenning garingr det en stroslashm gjennom den ytre kretsen Det betyr - en negativt ladet partikkel maring bevege seg fra gloslashdetraringden til Anoden Fenomenet faringr navnet rdquoEdison effektrdquo og blir patentert av Edison ndash men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i 1880 ndash 85 Patentet blir lagt tilside og rdquoglemtrdquo hellip

( Elektronet blir foslashrst paringvist av JJ Thomson i 1897 )16

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

24 aringr etter Edison - i 1904 - JA Fleming patenterer sin rdquorectifying valverdquo

17

I dag erstattes Flemings rdquorectiying valverdquo med en halvleder-diode

Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

+-

En vekselspenning tilfoslashres Anoden ndash paring Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet

AC DCAC AC Halvleder-Diode

e

Anode Katode

+-

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr

Fleming 1905 Lee de Forest 1907 08

18

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash teknologiutvikling i 100 aringr1908 ( TRIODEN Lee de Forest ) ndash fram til ca 1945 utvikles saring det meste av det vi i

dag kaller rdquomodernerdquo kretsteknikk og signalbehandling

1948 ( TRANSISTOREN William Shockley Walter Brattein - Nobellprisen 1956 )

Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno 1948

AC

9 volt

RB RK

Base

Kollektor

Emitter

Forsterket (AC)signalspenning

1908 - 1948

En liten signalspenning (AC) sendes inn paringgitter ndash som styrer en stor stroslashm gjennom roslashret til Anoden Stroslashmmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden RA U = R middot I (Ohms lov)

1948 ndash 1978Integrerte kretser

1978 -2008mikroelektronikk

19

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Elektrisk stroslashm (current) ndash en rettet stroslashm av ladningsbaeligrere gjennom en ledning

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

- Termisk energi (varme) frigjoslashr elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig ndash inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt

20

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash stroslashmtetthet ndash drifthastighet for elektroner

1 Amp garingr gjennom en aluminiumsledning med diameter 10 mm Hva blir drifthastigheten til elektronene Aluminium - elektrontetthet ne = 60 x 10 28 m-3

1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund

smmsmen

Jv

mA)m(

Ampr

IAIJ

ghetendrifthastivelektronerantallenvenAIetStroslashmtetthJ

ed

dede

311031

10310005001

3

2622

=sdot==

sdot=sdot

=sdot

==

==sdot===

minus

ππ

Elektronene har en drifthastighet paring 13 mms21

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

- elektriske ledere ndash halvledere ndash isolatorer

Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913

Kobberelektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

Det enslige elektronet i ytterste rdquoskallrdquo er svakt bunnet til kjernenVed rdquonormalrdquo temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr atom

1023 elektroner cm322

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i rdquoenergi-skallrdquo

I metallene er rdquoenergi-gapetrdquo mellom valensbaringndet og ledningsbaringndet minimalt Ved normal temperatur vil det vaeligre overlapp mellom ledningsbaringnd og valensbaringnd

23

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

ndash isolatorer ndash halvledere ndash elektriske ledere

Antall rdquofrierdquo elektroner i ledningsbaringndetElektrisk leder (metall) ca 1023 elektroner cm3

Halvleder ca 108 ndash 1014 elektroner cm3

Isolatorer ca 10 elektroner cm3

Antall elektroner i ledningsbaringndet varierer med temperaturenFor Silisium (Si) 25o C = 21010 elektr cm3 ved 100o C - 21012 elektr cm3

Husk at 1 Ampere = 628 1018 elektroner pr sekund24

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere

Baringde Ge og Si har 4 elektroner i valensbaringndet 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer ndash hvert atom rdquoserrdquoda en konfigurasjon av 8 elektronerDet dannes sterke kovalenetbindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur ndash

rdquodiamantstrukturrdquo

25

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

26

Silisium (Si) og Germanium (Ge)

IoniseringsenergiSi = 11 eVGe = 07 eV

Valenselektronene til Ge liggeri fjerde skall For Si ligger de i tredje skall

Kovalent binding- diamantstruktur

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Halvledere - Silisium (Si)

Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder foraringrsakes av rdquotermiskrdquo eksiterte elektroner i ledningsbaringndet - Hva med lys

Baringndgap Si = 11 eV

JseVshfhwPlanck 3415 1063610144 minusminus sdot=sdot=sdot=

nmlysnmw

ch

cfwfheV)Si(w

g

gg

7403801100

11

minuscongltsdot

lt

=gtsdot=

λλ

λ

I krystaller av materialer med hoslashyre baringndgap - feks ZnO ( 35 eV ) vil lys ikke klare aringeksitere elektroner ndash det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) ndash Kan brukes som elektriske ledere paring solceller

Lys vil rive loslashs elektroner i silisiumkrystallen ndash loslashfte elektroner opp i ledningsbaringndet Den Denne effekten brukes i solceller fotodetektorer digitale kamera osv

27

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Transport av ladning ndash elektronstroslashm ndash rdquohullstroslashmrdquo ()

+-

E

Den kovalente bindings-strukturen er brutt i overgangen halvleder -metallelektrode

Elektronstroslashm ndash stroslashm av frie elektroner i rdquoledningsbaringndetrdquoHullstroslashm ndash rdquoelektronhopprdquo mellom atomer i valensbaringndet

28

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210

Elektronikk ndash introduksjon ndash litt fysikalsk elektronikk

Doping = tilfoslashrsel av rdquofremmedelementerrdquoAntall doping-atomer er lav ca 1 pr 106 Si atomer

P-dopet med akseptor-atom3 elektroner i valensbaringndetAluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B)

N-dopet med donor- atom5 elektroner i valensbaringndet ndashFosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb)

Ioniseringsenergien ca 005 eV for det ekstra rdquofrierdquo elektronet fra donor-atomet

29

• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210
• Elektronikk med prosjektoppgaverFYS 1210