elektronika - etacar.put.poznan.pletacar.put.poznan.pl/jan.deskur/el09s/wyklady_pdf/el08s_w01... ·...

ELEKTRONIKA

SS-I, AiR, III sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h (H22/B3)SS-I, AiR, IV sem. Wykład 30h, Laboratorium 30h ( )

Wykład (IIIsem): Elementy i układy elektroniczne dr inż. Jan Deskur, pok. 626, tel. 665-2735, 8776135 (dom)

Jan.Deskur@put.poznan.pl www.put.poznan.pl\~jan.deskur Zakład Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Instytut Automatyki i Inżynierii Informatycznej

Laboratorium (III sem.):mgr inż. Adam Maciejuk, mgr inż. Dariusz Janiszewski, mgr inż. Bogdan Fabiański

EL08s – w1,2 2

Program wykładów w semestrze III

0. Wprowadzenie 1h

1.    Elementy elektroniczne 7h

2.    Wzmacniacze operacyjne i komparatory 6h

3.    Filtry aktywne i generatory sygnałów 4h

4.    Szumy i zakłócenia w układach elektronicznych 4h

5.    Przetworniki A/C i C/A 4h

6.    Wybrane zagadnienia współczesnej elektroniki 4h

EL08s – w1,2 3

Literatura przedmiotu (IIIsem.) - książki i skrypty

1. Marian P. Kaźmierkowski, Jerzy T. Matysik WPROWADZENIE DO ELEKTRONIKI I ENERGOELEKTRONIKI, Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, W-wa, 2005, s.432

2. Waldemar Nawrocki, Krzysztof Arnold, Krzysztof Lange, UKŁADY ELEKTRONICZNE, Wyd. PP, Poznań, 2002, str.193.

3. Piotr Górecki, WZMACNIACZE OPERACYJNE; podstawy, aplikacje, zastosowania. Wyd. BTC, 2002, str.252.

4. John Watson , ELEKTRONIKA, WKiŁ, 2002, s.446

5. Mirosław Rusek, Jerzy Pasierbiński. ELEMENTY I UKŁADY ELEKTRONICZNE w pytaniach i odpowiedziach. WNT, 2003.

6. Zbigniew Nosal, Jerzy Baranowski, UKŁADY ELEKTRONICZNE. Część I - Układy analogowe liniowe. (cz.II ...nieliniowe) WNT, 2003 Seria „Podręczniki akademickie. Elektronika. Informatyka. Telekomunikacja”

7. Andrzej Filipkowski, UKŁADY ELEKTRONICZNE ANALOGOWE I CYFROWE, WNT, 2003, Seria „Podręczniki akademickie. EIT”

8. Ulrich Tietze , Christoph Schenk, UKŁADY PÓŁPRZEWODNIKOWE. WNT, 1996

9. Paul Horowitz, Winfield Hill, SZTUKA ELEKTRONIKI. tI,II, WKiŁ, 1997.

EL08s – w1,2 4

Wprowadzenie do elektroniki

1. Czym zajmuje się elektronika ? ... sterowanym ruchem elektronów w próżni i gazach (el. próżniowa) oraz ciałach stałych (el. półprzewodnikowa)

2. Podział ze względu na rodzaj zjawisk i obszar zastosowań: elektronika kwantowa, plazmowa, przemysłowa, medyczna, energoelektronika, piezoelektronika, optoelektronika, .....

3. Elementy, podzespoły, układy, systemy elektroniczne- element (= prosta , nierozdzielna konstrukcyjnie część)

- element bierny (rezystor, kondensator,..)- element czynny (ogniwo, tranzystor, tyrystor itp.)

- podzespół (np. potencjometr, przełącznik, przekaźnik)- układ (=zbiór połączonych elementów spełniający określoną funkcję, np. wzmacniacz, filtr itp.)

4. „Rewolucja” mikroelektroniczna (układy scalone)5. Klasyfikacje układów scalonych

- analogowe , cyfrowe , mieszane (analogowo - cyfrowe)- półprzewodnikowe (bipolarne, unipolarne) , hybrydowe (warstwowe)- SSI(<100), MSI(<1000), LSI(<100000), VLSI, ULSI(>106)- standardowe ( o stałej strukturze), programowalne

EL08s – w1,2 5

Elektronika próżniowa - dioda

EL08s – w1,2 6

Elektronika próżniowa - trioda

EL08s – w1,2 7

Elektronika próżniowa - lampa elektronopromieniowa

EL08s – w1,2 8

Elektronika próżniowa - lampa elektronopromieniowa

EL08s – w1,2 9

Budowa atomu – poziomy energetyczne elektronów

EL08s – w1,2 10

Budowa krystaliczna krzemu

a) obraz przestrzenny, b) model dwuwymiarowy dla T = 0 K

EL08s – w1,2 11

Drgania cieplne siatki krystalicznej

T > 0 K. Powstawanie par: elektron swobodny - dziura

EL08s – w1,2 12

Model pasmowy atomu

a) odosobniony atom, b) atom w siatce krystalicznej

Wa)

b)W= q4 m

8 n2 h202

W - energia elektronu [eV]

q - ładunek elektronu (1.6 · 10-19 C)

m - masa elektronu ( 1.78 · 10-31 kg)

n - liczba naturalna

h - stała Plancka (6.625 · 10-34 J·s)

ε0 – stała elektryczna próżni (8.854·10-34 F/m)

EL08s – w1,2 13

Powstawanie elektronów swobodnych i dziur

Szerokość pasma zabronionego dla różnych półprzewodników

Półprzewodnik InSb Pb Ge Si GaAs Se CdS

0.18 0.37 0.67 1,12 1,43 1,7 1,9Wg[eV]

EL08s – w1,2 14

Pasma energetyczne w ciałach stałych

a)izolatory, b) półprzewodniki, c) metale

EL08s – w1,2 15

Ważniejsze półprzewodniki stosowane w elektronice

Grupa Półprzewodnik ZastosowanieIV Si, Ge, SiC Diody, tranzystory,

fotoogniwa, fotodiody,fototranzystory, warystory

III – V GaP, GaAs, GaAsP,InSb, InAs

Diody LED, hallotrony,gausotrony

II - VI CdS, CdSe, MgO Fotorezystory, termistory(NTC)

IV - VI PbS, PbSe, PbTe Fotorezystory

EL08s – w1,2 16

Półprzewodniki samoistne i domieszkowane

EL08s – w1,2 17

Półprzewodnik samoistny

g=rni= pi

ni pi=ni2T =const

ni=A exp −W g /2kT

g - szybkość generacji termicznej nośników (par elektron-dziura)

r - szybkość rekombinacji nośników

n - koncentracja elektronów (liczba elektronów w jednostce objętości)

p - koncentracja dziur

i - samoistny (intrinsic)

A - stała materiałowa

k - stała Boltzmana

T - temperatura bezwzględna

EL08s – w1,2 18

Półprzewodnik domieszkowany, typu n

N n=N dn≈N d

Pn= p=n1

2

N d=1032

1018=1014 m−3

N n≫Pn

Nd - koncentracja atomów donorowych

Nn - koncentracja atomów w materiale typu n

Pn - koncentracja dziur w paśmie walencyjnym

n,p – koncentracja elektronów i dziur generowanych termicznie

EL08s – w1,2 19

Półprzewodnik typu p

EL08s – w1,2 20

Siatka krystaliczna w półprzewodnikach

EL08s – w1,2 21

Siatka krystaliczna w półprzewodnikach (2)

EL08s – w1,2 22

Generacja, rekombinacja ; czas życia nośników

L2=D

L - droga dyfuzji

D - stała dyfuzji

t - czas życia nośników

EL08s – w1,2 23

Rekombinacja za pomocą centrów pułapkowych

EL08s – w1,2 24

Oddziaływanie pola elektrycznego na nośniki; konduktywność półprzewodników

i x=n q v x SJ x=n q v x

J x= E x

=n qv x

E x=n q

ix - natężenie prądu (składowa w kierunku x)

n - koncentracja nośników ładunkuv

x - prędkość ruchu (unoszenia) ładunków w kierunku pola

Ex – natężenie pola elektrycznego w kierunku x

σ - konduktywność półprzewodnikaµ - ruchliwość nośników

EL08s – w1,2 25

Prąd elektryczny w metalach i roztworach

EL08s – w1,2 26

Prąd elektryczny w półprzewodnikach

EL08s – w1,2 27

Technologia uzyskiwania i oczyszczania monokryształu

EL08s – w1,2 28

Podstawowe parametry materiałów półprzewodnikowych

EL08s – w1,2 29

Rezystory stałe

EL08s – w1,2 30

Ciągi E6, E12, E24 znamionowych rezystancji

EL08s – w1,2 31

Elementy bierne strukturowe (do montażu powierzchniowego)

EL08s – w1,2 32

Rozmiary elementów strukturowych

EL08s – w1,2 33

Charakterystyki termistorów

EL08s – w1,2 34

Pytania (wstęp, elementy bierne i elektronika próżniowa)

1. Czym zajmuje się elektronika?

2. Wyjaśnij różnice między elektroniką analogową i cyfrową

3. Czym różnią się czynne elementy elektroniczne od biernych?

4. Narysuj i objaśnij symbole biernych elementów elektronicznych.

5. Wymień rodzaje rezystorów, ich parametry i charakterystyki

6. Jak dzielą się mikroelektroniczne układy scalone?

7. Naszkicuj diodę z żarzoną katodą i wyjaśnij jej działanie

8. Po co w triodzie stosuje się siatkę?

9. Dlaczego w lampach elektronopromieniowych stosuje się wysokie napięcie?

10. Objaśnij dlaczego w kineskopach stosuje się magnetyczne odchylanie wiązki, a w oscyloskopach - elektrostatyczne.

11. Jak nazywa się materiał pokrywający przednią część lampy elektronopromieniowej?

EL08s – w1,2 35

Oddziaływanie pola elektrycznego na nośniki; konduktywność półprzewodników

i x=n q vx SJ x=n q vx

J x= E x

=n qv x

E x=n q

ix - natężenie prądu (składowa w kierunku x)

n - koncentracja nośników ładunkuv

x - prędkość ruchu (unoszenia) ładunków w kierunku pola

Ex – natężenie pola elektrycznego w kierunku x

σ - konduktywność półprzewodnikaµ - ruchliwość nośników

EL08s – w1,2 36

Rezystory warstwowe

Rezystywność półprzewodnika:

Rezystancja rezystora warstwowego:

= 1 = 1

q nn pp

R = La R

R = ρ / h - rezystywność powierzchniowa warstwy

L - długość, a – szerokość h – grubość warstwy

EL08s – w1,2 37

Rezystory liniowe

a) charakterystyka b) symbole

EL08s – w1,2 38

Parametry rezystorów

• Rezystancja R ( charakterystyka dla nieliniowych)

• Moc znamionowa PN = U

N I

N (0.01W .. 500W)

• Napięcie graniczne (250V .. 2kV)• Współczynnik temperaturowy rezystywności [%/K] = 0.02 ..0.2

•

EL08s – w1,2 39

Rezystory nieliniowe

a) charakterystyka b) symbol

R = U/I = tg(α0) : rezystancja statyczna

r = dU/dI = tg(αd) : rezystancja dynamiczna (przyrostowa)

EL08s – w1,2 40

Warystor

U = c I

=0.10.6

R = UI

= c I −1

r = dUdI

= c I −1 = R

EL08s – w1,2 41

Tyrektor

EL08s – w1,2 42

Termistory typów NTC, PTC, CTR

RT = RT0 expT−T 0

T 0T B

d T [%/K ] = 1RT

dRT

dT

EL08s – w1,2 43

Fotorezystor

EL08s – w1,2 44

Przykładowe charakterystyki fotorezystorów

EL08s – w1,2 45

Magnetorezystory (gaussotrony)

EL08s – w1,2 46

Efekt Halla w półprzewodniku

EL08s – w1,2 47

Hallotron

U H ≈ K H B I

EL08s – w1,2 48

Rezonatory piezoelektryczne

f / f 0 = 10−610−11