Złącze p-n, diody półprzewodnikowe. Elementy optoelektroniczne.Prostowniki. Zasada działania BJT, charakterystyki statyczne, modele,parametry. Układy polaryzacji i stabilizacja punktu pracy. Parametry roboczewzmacniacza. Przełączanie tranzystora bipolarnego, inwerter. Zasadadziałania tranzystora JFET i MOSFET, charakterystyki statyczne, modele,parametry, zastosowania. Parametry wzmacniacza. Układy polaryzacjii stabilizacja punktu pracy. Tranzystor bipolarny i unipolarny jako sterowaneźródła prądowe. Przełączanie, inwerter CMOS. Półprzewodnikowe

Elektronika – program

źródła prądowe. Przełączanie, inwerter CMOS. Półprzewodnikoweprzyrządy mocy. Charakterystyki statyczne i dynamiczne. Wzmacniaczróżnicowy. Źródła prądowe i napięciowe, obciążenia aktywne, lustroprądowe. Wzmacniacze operacyjne, parametry, sprzężenie zwrotne i układypracy. Wzmacniacz pomiarowy. Układy z nieliniowym sprzężeniemzwrotnym. Komparatory. Stopnie wyjściowe i wzmacniacze mocy.Stabilizatory ciągłe i impulsowe. Podstawowe rodzaje układów logicznychi ich charakterystyki elektryczne. Współpraca układów cyfrowychi analogowych. Przetworniki A/C i C/A. Specyfika układów scalonych.Tendencje rozwoju mikroelektroniki.

Poznanie zjawisk fizycznych, zasad działaniai parametrów elementów elektronicznych,sposobów wykorzystania ich przy realizacjiukładów analogowych i wybranych układówimpulsowych w zastosowaniach cyfrowych .

Cel wykładu

impulsowych w zastosowaniach cyfrowych .Analiza i projektowanie prostych układówmetodami elementarnymi (przykłady nawykładzie i na projekcie) z wykorzystaniemsymulacji komputerowej (praca w domu).

Elektronika – Jakub Dawidziuk

1 .Filipkowski A.: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, Warszawa, 2006.2. Nosal Z., Baranowski J.: Układy elektroniczne, cz.I - Układy analogowe liniowe. WNT, Warszawa, 2003.3. Baranowski J., Czajkowski G.: Układy elektroniczne, cz.II - Układy analogowe nieliniowe i impulsowe. WNT, Warszawa, 2004.4. Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszwa, 2009.

Literatura podstawowa i pomocnicza

2009.5. Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki. Cz. I i II. WKiŁ, Warszawa, 2006.

1.Górecki P.: Wzmacniacze operacyjne. Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2002. 2.Rusek M., Pasierbinski J.: Elementy i układy elektroniczne. WNT, Warszawa, 2006.3.Sedra A.S.., Smith K.C.: Microelectronic Circuits. Oxford University Press New York ; Oxford, 2004.4. Praca zbiorowa: Elementy i układy elektroniczne, projekt i laboratorium, WPW, 2007.

JEDNOSTKI MIAR - PRZEDROSTKI

T – 1012 tera

G - 109 giga

M - 106 mega

k - 103 kilo

Przy skracaniu jednostki z przedrostkiem, symbol jednostki nast ępuje po przedrostku, bez odst ępu. Nazwy jednostki nie pisze si ę

k - 103 kilo

m - 10-3 mili

µ - 10-6 mikro

n - 10-9 nano

p - 10-12 piko

f - 10-15 femto

Nazwy jednostki nie pisze si ę dużą liter ą, jeśli jest ona podawana w pełnym brzmieniu, zarówno z przedrostkiem, jak i bez niego; du że litery stosuje się tylko w skrótach. Piszemy: herc i kiloherc, ale Hz i kHz; wat, miliwat i megawat, ale, W, mW i MW.

Symbole, du że i małe litery

SymboleDuże litery Q, I, V, U, R, G, C, L i inne oznaczj ą

warto ści statyczne tzn. niezale żne od czasu (lub

bardzo wolno zmienne tzn. quasi-statyczne).

Małe litery q, i, v, u, r, g i inne oznaczaj ą funkcje czasu

odpowiednich wielko ści czyli naprawd ę: q(t), i(t), v(t),

u(t) lub wielko ści dynamiczne tzn. definiowane w

oparciu o przyrosty lokalne.

Wyjątki:

t – czas, T – temperatur w skali bezwzgl ędnej,

f – częstotliow ść, ω- częstość.

Pierwszy ostrzowy tranzystor

POCZĄTEK ERY PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH 1943-1959

1948 wynalezienie tranzystora ostrzowego

Bardeen, Brattain, Shockley

Nagroda Nobla w 1956

1950 opracowano diody mocy 100 A USA

1951 tranzystor zł ączowy Shockley

1957 tyrystor (SCR) (Bell Lab, USA)

1959 pierwszy układ scalony Kilby

Nagroda Nobla w 2000

germanowy na stole laboratoryjnym w Bell Laboratories - rok 1947

1. Właściwo ści materiałów półprzewodnikowych

2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane

Elementy półprzewodnikowe i układy scalone

3. Złącze pn

4. Polaryzacja zł ącza

5. Charakterystyki pr ądowo -napięciowe

6. Parametry techniczne diod

ELEKTRONIKA 1 – Jakub Dawidziuk

Rozwój elektroniki był i jest ściśle związany z rozwojem przyrz ądów półprzewodnikowych (PP), osi ąganiem przez nie większych pr ądów przewodzenia, wy ższych napi ęć blokuj ących i korzystniejszych parametrów dynamicznych.

Przyrz ądy półprzewodnikowe to:

diody półprzewodnikowe,

Rodzaje przyrz ądów półprzewodnikowych

tranzystory bipolarne i unipolarne,

tyrystory konwencjonalne, wył ączalne i sterowane napi ęciowo,

układy scalone analogowe i cyfrowe.

Struktura krystaliczna monokryształu krzemu (Si)koncentracja atomów 5 ·1022 cm -3

a=2-3 Å, (1 Å = 10 -10 m)

Krzem na ostatniej powłoce ma cztery elektrony wale ncyjne. Aby zapełni ć tę powłok ę, atomy zajmuj ą miejsce w siatce krystalicznej w taki sposób, że każdy z nich jest zwi ązany swoimi elektronami walencyjnymi z czterema s ąsiednimi atomami, tworz ąc wiązanie kowalentne.

Model planarny pojedynczego atomu i periodycznej struktury półprzewodnika

Krzem na ostatniej powłoce ma cztery elektrony walencyjne (warto śćiowo ść

4). Decyduj ą one o wła ściwo ściach chemicznych i elektrycznych. Sie ć

krystaliczna ma przy tym tak ą budow ę, że atomy s ą wzajemnie zwi ązane

ze sob ą poprzez uwspólnienie tych elektronów - jest to tzw. wi ązanie

kowalencyjne (kowalentne). kowalencyjne (kowalentne).

Dopóki temperatura (i energia) kryształu jest niewielka, elektrony walencyjne s ą związane w sieci kryształu. Brak wolnych elektronów uniemo żliwia zatem przepływ ładunku elektrycznego.

Generacja pary elektron -dziura w pp samoistnym

Dopóki temperatura (i energia) kryształu jest

niewielka, elektrony walencyjne s ą związane

w sieci kryształu. Brak wolnych elektronów uniemo żliwia zatem

przepływ ładunku elektrycznego.

Gdy temperatura jest

mm

m

l

RS

S

lR

Ω=

Ω=

=

2

ρ

ρ

Gdy półprzewodnik znajduje si ę w polu elektrycznym, zaczyna działa ć

na niego przyło żone napi ęcie, co objawia si ę przeciwbie żnym ruchemelektronów i dziur. Ładunki w pp poruszaj ą się także pod wpływem drga ń

sieci krystalicznej zwi ązanych z energi ą ciepln ą, gromadz ąc si ę w jednymobszarze tworz ąc tzw. pr ąd dyfuzyjny (swobodny przepływ ładunkówwiększo ściowych.)

Gdy temperatura jest wysoka przyrost energii

powoduje rozerwanie wiązań kowalencyjnych, a

elektrony zaczynaj ą przewodzi ć prąd.

Półprzewodniki domieszkowane

Własno ści pp samoistnych mog ą być znaczniezmienione je żeli do siatki krystalicznej zostan ą

wprowadzone domieszki. Domieszkowanie powodujezmniejszenia rezystancji materiału samoistnego. Ka żdyatom domieszki mo że wziąć udział w przewodzeniuprądu w postaci jednego swobodnego elektronu lubprądu w postaci jednego swobodnego elektronu lubdziury. Materiał samoistny zawiera w 1 cm 3 około 10 10

elektronów i dziur. Koncentracja domieszki wznosiokoło 1015 cm -3 wolnych elektronów lub dziur. Liczbanośników prądu zwi ększa si ę około 105 razy . Tyle razyzmniejszona zostaje rezystancja półprzewodnika.

Półprzewodniki domieszkowanedonorami - pp typu „n” akceptorami - pp typu „p”

jon=rdze ń

Półprzewodnik typu n

Ruchome elektrony (no śniki wi ększościowe), nieruchome jony dodatnie

Półprzewodnik typu p

Ruchome dziury (no śniki wi ększościowe), nieruchome jony ujemne

Złącze pn niespolaryzowane – stan równowagi

Złącze pn jest podstawow ą struktur ą mikroelektroniki i optoelektroniki: diody (prostownicze, pojemno ściowe itd.), emitery promieniowania (LED, lasery), detektory promieniowania, ogniwa słoneczne, inne wielowarstwo we pp.

Złącze p-n• Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytwor zone

zostan ą dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Schemat złącza p-n i jego niektóre wła ściwo ści przedstawiono na rysunku ⇒.

• Koncentracja elektronów swobodnych w obszarze n jest znacznie wi ększa niż w obszarze p, w którym stanowi ą one no śniki mniejszo ściowe. Podobnie koncentracja dziur w obszarze p jest znacznie wi ększa ni ż w obszarze n. Wskutek ró żnicy koncentracji nast ępuje dyfuzja no śników wi ększo ściowych: elektronów z obszaru n do p i dziur z obszaru p do n. Nośniki te po przej ściu warstwy granicznej ulegaj ą rekombinacji. W wyniku procesu dyfuzji w warstwie granicznej (obszarze przej ściowym) po stronie obszaru n zanikaj ą warstwie granicznej (obszarze przej ściowym) po stronie obszaru n zanikaj ą elektrony swobodne, a pozostaj ą niezrównowa żone elektrycznie dodatnie jony donorów, tworz ąc dodatni ładunek przestrzenny. W analogiczny sposób powstaje ujemny ładunek przestrzenny w granicznej wars twie przej ściowej po stronie obszaru p. Na złączu powstaje pole elektryczne i bariera potencjału. Pole elektryczne przeciwdziała dyfuzji no śników większo ściowych, natomiast sprzyja przepływowi generowanych t ermicznie nośników mniejszo ściowych: elektronów swobodnych z obszaru p do n i dziur w kierunku przeciwnym. Opisany powy żej przepływ no śników większo ściowych nazywa si ę prądem dyfuzyjnym , a przepływ no śników mniejszo ściowych - prądem termicznym .

Polaryzacja zł ącza

Polaryzacja w kierunku przewodzenia i zaporowym oraz pr ądy w zł ączu

Charakterystyka pr ądowo -napięciowa diody

Parametry pracy diody zł ączowej

URWM – szczytowe wsteczne napi ęcie pracy,

URRM – powtarzalne szczytowe napi ęcie wsteczne,

URSM – niepowtarzalnie szczytowe napi ęcie wsteczne.

Model eksponencjalny diody

k = 1,38×10-23 J/K

pA

25 mV; 1/VT = 40 V-1

V=U napięcie

ang. voltage

Potencjał k = 1,38×10 J/K

q = 1,6×10-19 C

Model może być używany w znanych z elektrotechniki metodach analizy.

Potencjał elektrokinetyczny

Modele diody odcinkowo -liniowe

Spadek napi ęcia na diodzie przyjmuje si ę stały równy 0,6 - 0,7 V.

Odcinkowo -liniowa metoda analizy Zastąp nieliniowe charakterystyki odcinkami (segmentami) liniowymi.

Wykonaj liniow ą analizę w ramach ka żdego odcinka (segmentu).

Przykład: zbudujmy przekształtnik pr ąd zmienny AC(Alternating Current) – prąd stały DC (Direct Current ).

Przykład: przekształtnik AC – DC

Testowanie diod (zł ącz pn)

Parametry katalogowe diody prostowniczej

Obudowy diod i mostków