elektronika - etacar.put.poznan.pletacar.put.poznan.pl/jan.deskur/el09s/wyklady_pdf/el08s_w01... ·...
TRANSCRIPT
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)
[email protected] 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