ELEKTRONIKA 1WPROWADZENIE

1

WYKŁADOWCA

• Mgr inż. Sławomir Niespodziany

• Instytut Techniki Cieplnej, pokój 405A

• slawomir.niespodziany@pw.edu.pl

• home.elka.pw.edu.pl/~sniespod

• Konsultacje: środa 12:15-13:00

2

ELEKTRONIKA 1 (NW135)

• 1h wykładu + 1h ćwiczeń tygodniowo

• Wykład: poniedziałek godz. 16.15 – 18.00

• Wykłady kończą się w połowie semestru

• Ćwiczenia rachunkowe w grupach

• Laboratorium (Elektronika 2) od połowy semestru

• Wymagania:

• Fizyka

• Elektrotechnika

• Zaliczenie

• Na wykładzie nie ma żadnej formy sprawdzenia

• Ocena z przedmiotu jest wystawiana na podstawie kolokwiów

odbywających się w czasie ćwiczeń

3

PRZEDMIOTY ELEKTRYCZNE W DYDAKTYCE MEIL

• Elektrotechnika

• Elektronika

• Technika mikroprocesorowa

• Maszyny elektryczne

• Podstawy elektroenergetyki

• Inteligentne Sieci Przesyłowe

4

CELE PRZEDMIOTU

• Ćwiczenia rachunkowe

• rozwiązywanie zadań z obwodów elektrycznych w zastosowaniu do

układów elektronicznych analogowych i cyfrowych

• Laboratorium

• Umiejętność analizowania obwodów elektronicznych dla prądu

stałego i zmiennego

• Ćwiczenia: Wzmacniacze tranzystorowe, wzmacniacze operacyjne,

generatory przebiegów sinusoidalnych, zasilacze stabilizowane

napięcia stałego, układy impulsowe, układy cyfrowe kombinacyjne i

sekwencyjne

5

CELE WYKŁADU

• Poznanie terminologii używanej w elektronice

• Poznanie podstawowych właściwości przyrządów półprzewodnikowych

• Poznanie podstawowych układów elektronicznych analogowych oraz

cyfrowych

• Umiejętność analizy prostych obwodów elektronicznych

• Umiejętność analizowania kart katalogowych

• Znajomość podstawowych zastosowań elektroniki

• Poznanie podstawowych rodzajów przekształtników

energoelektronicznych

6

LITERATURA

• [1] Paul Horowitz , Winfield Hill

„Sztuka Elektroniki”

• [2] Praca zbiorowa

„Elektrotechnika i elektronika dla nie elektryków” –

Jan Szymczyk, rozdział Elektronika

• [3] Materiały wykładowe

(home.elka.pw.edu.pl/~sniespod)

7

ELEKTRONIKA JAKO DZIEDZINA

• Z czym kojarzy się elektronika?

• Wykorzystanie zjawisk związanych z ruchem nośników

elektrycznych, zwłaszcza w półprzewodnikach

• wywoływanie przepływu ładunków

• oddziaływanie na nie

• wytwarzanie efektów zewnętrznych

• reagowanie na czynniki zewnętrzne

• Elektronika

• Próżniowa

• Półprzewodnikowa

• Kwantowa

8

HISTORIA I

• Elektronika ma ok 100 lat

• W 1874 r. F. Braun odkrywa, że pewne kryształy w pewnych

warunkach (kontakt z metalowym drutem) przewodzą prąd tylko

w jedną stronę

• 1892 fotodioda gazowa

• 1904 dioda z żarzoną katodą

• 1907 Lee de Forest - pierwszy wzmacniacz audio

• 1913 Meissner – generator drgań

• 1916, Polska. Prof. Jan Czochralski (1885-1953) wynajduje

metodę hodowania dużych monokryształów metali i

półprzewodników

9

TRIODE AMPLIFIER

10

HISTORIA II

• 1939-1945 – rozwój związany z wojną, lampy mikrofalowe,

radary, miniaturyzacja

• 1946 ENIAC w USA - 18000 lamp, moc 150kW

• 1947 – wynalezienie tranzystora ostrzowego

• Shockley, Bardeen, Brattain (Bell Laboratories)

• nagroda nobla w 1956 roku

• 1954 Pierwszy tranzystor krzemowy

• 1956 Prezentacja pierwszego magnetowidu

• 1958 Pierwszy układ scalony - Jack Kilby z Texas Instruments

tworzy działający układ kilku elementów na jednym podłożu

półprzewodnikowym

• 1967 Pierwszy przenośny kalkulator

11

IC INTEGRATION SCALE

12

IC DESIGN

13

DZIAŁY ELEKTRONIKI

• Elektronika analogowa i cyfrowa

• Technika mikrofal i elektronika bardzo wysokich częstotliwości

• Radiotechnika

• Optoelektronika

• Energoelektronika

• Kompatybilność elektromagnetyczna

• Elektronika techniczna – konstrukcja urządzeń

14

WYBRANE ZASTOSOWANIA

• Metrologia (pomiary wielkości elektrycznych i nieelektrycznych,

defektoskopia,…)

• Medycyna (RTG, EKG, …)

• Inżynieria dźwięku (przetworniki, wzmacniacze, …)

• Telekomunikacja

• Inżynieria komputerowa

• Elektronika przemysłowa (urządzenia automatyki - sterowniki,

falowniki, grzejnictwo indukcyjne, …)

• Energetyka odnawialna (ogniwa PV, falowniki,…)

• Technika kosmiczna

• Technika wojskowa

15

URZĄDZENIE ELEKTRONICZNE

• Wchodzi w interakcję z otoczeniem (czujniki, interfejs użytkownika,

układy wykonawcze)

• Wielkości mogą być ciągłe lub dyskretne

• Wielkości przetwarzane są na sygnał elektryczny

• Sygnał jest przetwarzany

• Na wyjścia podawany jest sygnał wynikowy

• Mogą pojawić się zakłócenia

16

ENERGOELEKTRONIKA

Energia

wejściowa

Energia

wyjściowa

Sygnał

steru

jący

Energoelektronika

Sygnał

wejściowy

Sygnał

wyjściowy

Zasila

nie

Elektronika

17

METODY ANALIZY OBWODÓW

18

ANALIZA OBWODÓW

• Obwody liniowe można analizować:

• 1. Metodą uproszczeń

• 2. Metodą superpozycji

• 3. Metodą stosowania twierdzeń Thevenina i Nortona

• 4. Metodą oczkowa, zwana też metodą prądów oczkowych

• 5. Metodą węzłowa, zwana też metodą napięć węzłowych

• Obwody nieliniowe można analizować

• Metodą graficzna

• Analizą małosygnałowa

• Analizą komputerowa

20

ANALIZA MAŁOSYGNAŁOWA I

• Polega na zastosowaniu pojęcia rezystancji/ impedancji

dynamicznej i małych zmian napięć.

• Metoda ta wiąże się z faktem, że w działaniu wielu układów

istotne są dwa rodzaje wymuszeń:

• Jedno stacjonarne wymuszenie w postaci stałego napięcia (lub

prądu) zapewnia odpowiednią polaryzację urządzenia –

doprowadza dany układ do stanu określonej aktywności

• Drugie wymuszenie, które jest sygnałem o małej amplitudzie

(dodane do stacjonarnego wymuszenia) powoduje niewielkie

odchylenia wokół wartości stacjonarnej

21

ANALIZA MAŁOSYGNAŁOWA II

• Zakładając niewielkie zmiany

parametrów układu wokół określonego

punktu pracy dokonuje się linearyzacji

• Małe odcinki charakterystyk

elementów nieliniowych przybliżamy

odcinkami prostymi

• Następnie układ można analizować

metodami przeznaczonymi

dla obwodów liniowych

22

ANALIZA MAŁOSYGNAŁOWA III

• Z lewej – odpowiedź układu nieliniowego na wymuszenie

• Odpowiedź jest nieliniowa

• Z prawej – przy bardzo małych zmianach wokół punktu pracy charakterystyka

jest odcinkiem prostej

• Odpowiedź jest liniowa

0.750.5 0.55 0.6 0.65 0.7

0

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.5

vD(V)

iD(mA)

t

tBias pointQ

VD

ID

vD (V)

iD (mA)

t

tID

0.699 0.6995 0.7 0.7005 0.7011.38

1.40

1.42

1.44

1.46

1.48

1.50

1.52

VD

23

METODA GRAFICZNA I

• Stosowana, gdy jeden element nieliniowy współpracuje z obwodem liniowym

• Zakłada się, że obwód liniowy to źródło napięcia i rezystor

• Jeśli tak nie jest można go sprowadzić do tej postaci zgodnie z twierdzeniem

Thevenina

• Charakterystyka układu liniowego jest prostą łączącą punkty

• A – przy zerowym prądzie napięcie wynosi V

• B – przy prądzie I=V/R napięcie wynosi 0

24

METODA GRAFICZNA II

• W charakterystykę układu liniowego wrysowujemy charakterystykę elementu

nieliniowego

• Punkt przecięcia charakterystyk jest punktem pracy

( )

SS D D

D D

V R i v

i f v

= +

=

25

PODSTAWY FIZYCZNE PRZEWODNICTWA

26

MODEL ATOMOWY KRZEMU

• Atom krzemu (Si - silicone)

• 14 elektronów

• 2 wewnętrzne orbity w pełni osadzone

(odpowiednio 2 i 8 elektronów)

• 4 elektrony na ostatniej orbicie

(z 8 możliwych do obsadzenia)

• Kryształ krzemu

• Wiązania kowalentne –

elektrony wspólne dla

sąsiadujących atomów

uzupełniają wzajemnie

swoje orbity

• Powstaje siatka krystaliczna

• Struktura jest elektrycznie obojętna

• W temperaturze 0°K jest izolatorem

27

PRĄD ELEKTRONOWY I DZIUROWY

• Przemieszczać mogą się zarówno wolne elektrony, jak i dziury (elektron

przeskakuje z sąsiedniego atomu powodując przemieszczenie się dziury)

• Przemieszczanie się ładunków to prąd elektryczny zwany odpowiednio

elektronowym lub dziurowym

28

DOMIESZKOWANIE

• Domieszkowanie – proces wprowadzania „zanieczyszczeń” do siatki krystalicznej

krzemu (w ilości ok 10-3÷10-5%)

• Sposób na zmianę parametrów półprzewodnika –

zwiększenie ilości nośników prądu

• Półprzewodnik typu „n” (negative)

• Domieszka pierwiastków pięciowartościowych (As, P, Sb) zwanych donorami –

jeden z elektronów nie tworzy wiązania kowalentnego

• Nadmiar elektronów, które mogą się swobodnie poruszać

• Półprzewodnik typu „p” (positive) – przewaga dziur

• Domieszka pierwiastków trójwartościowych (In, Ga, Al) zwanych akceptorami –

brak jednego elektronu w wiązaniu kowalentnym

• Niedobór elektronów, pozostają dziury, które są nośnikami prądu

• Mimo przewagi dziur lub elektronów materiał jest elektrycznie obojętny,

ponieważ liczba protonów (+) i elektronów (-) jest taka sama

29

PÓŁPRZEWODNIKI TYPU „N” I „P”

• Półprzewodnik typu n – nośnikiem większościowym są elektrony

• Półprzewodnik typu p – nośnikiem większościowym są dziury

30

EFEKT HALLA

• Rozpatrzmy półprzewodnik umieszczony w polu magnetycznym o indukcji B

• Na poruszające się ładunki działa siła proporcjonalna do: indukcji B, prędkości

v i wartości ładunku q

• Utrzymanie trajektorii nośników wymaga, aby

poprzeczne pole elektryczne zrównoważyło iloczyn vB

• Pole jest wytwarzane przez przesunięcie dziur

w kierunku prostopadłym do ich ruchu i zmianę rozkładu

• Powstanie pola elektrycznego w półprzewodniku

pod wpływem pola magnetycznego

nazywane jest efektem Halla

• Zastosowanie efektu w

czujnikach indukcji

31

ZŁĄCZE P-N

32

POLARYZACJA ZŁĄCZA P-N

• Polaryzacją nazywamy przyłożenie

zewnętrznego pola elektrycznego do złącza

• Zależy od niego szerokość warstwy

zubożonej, a więc rezystancja złącza

• O polaryzacji dodatniej lub

w kierunku przewodzenie (forward bias)

mówimy, kiedy przyłożymy dodatnie napięcie

do warstwy p lub ujemne do warstwy n

• O polaryzacji ujemnej lub

w kierunku zaporowym (reverse bias)

mówimy, kiedy przyłożymy dodatnie napięcie

do warstwy n lub ujemne do warstwy p

Kie

rune

k

prz

ewodze

nia

Kie

rune

k

zaporo

wy

33

POLARYZACJA W KIERUNKU PRZEWODZENIA

• Przepływ nośników w kierunku złącza – elektrony zapełniają dziury, zmniejsza

się szerokość warstwy zubożonej

• Po przekroczeniu bariery potencjału następuje „przełamanie” warstwy

zaporowej

• Możliwy jest swobodny przepływ nośników

• Na złączu występuje spadek napięcia równy barierze potencjału – 0,7V

34

POLARYZACJA W KIERUNKU ZAPOROWYM

• Odpływ nośników od złącza –zwiększa się szerokość warstwy zubożonej

• Rezystancja złącza zwiększa się w ogromnym stopniu

• Rezystancja jest tym większa im większe przyłożone napięcie

• Prąd jest bliski zera

35

PRZEBICIE ZŁĄCZA

• Po przekroczeniu pewnej granicznej wartości napięcia wstecznego następuje

przebicie złącza

• Można wyróżnić dwa mechanizmy przebicia:

Przebicie lawinowe Przebicie Zenera

• Występuje w lekko domieszkowanych

złączach

• Pole elektryczne przyspiesza elektrony

w warstwie zubożonej

• Zderzając się z atomami mogą wytrącić

kolejne elektrony

• Przy wystarczającej energii (napięciu)

wystąpi lawinowe powielanie

nośników

• Napięcie przebicia wynosi zazwyczaj

kilkadziesiąt – kilkaset V

• Przebicie lawinowe jest destrukcyjne

dla złącza

• Występuje w mocno

domieszkowanych materiałach z

gwałtownym przejściem p-n

• Natężenie pola elektrycznego w

złączu jest b. wysokie

• Elektrony są „wyciągane” z wiązań

kowalentnych

• Prąd wsteczny osiąga wysokie

wartości

• Napięcie przebicia jest stałe

(ok. 5V)

• Przebicie Zenera nie niszczy złącza

36

PRĄD W ZŁĄCZU P-N

• Kierunek przewodzenia – występuje swobodny przepływ nośników

większościowych, które są dostarczane z zewnętrznego źródła

• Kierunek zaporowy – w stanie przejściowym nośniki są „odciągane”,w stanie

ustalonym występuje jedynie przepływ nośników mniejszościowych

spowodowany wyłącznie generacją termiczną (jak w czystym krzemie)

37

RÓWNANIE SHOCKLEY’A

• Równanie Schockley’a zwane też równaniem diody określa zależność prądu

diody I od przyłożonego napięcia U:

𝐼 = 𝐼𝑆(𝑒𝑞𝑈

𝑘𝑇 − 1)

• k = 1.38×10−23J/K (stała Boltzmanna),

• q=1.6×10−19C (ładunek elektronu)

• w temperaturze pokojowej q/kT≈40 V−1

• IS – prąd wsteczny generacji termicznej,

w temperaturze pokojowej rzędu nA

38

ZŁĄCZE METAL-PÓŁPRZEWODNIK

• W złączu m-s (metal-semiconductor) zachodzą w nim podobne zjawiska, jak w

złączu p-n

• Przykładowo w złączu m-n (metal – półprzewodnik typu n) strumień elektronów

płynie z półprzewodnika do metalu – metal zostaje naładowany ujemnie

• Tworzy się bariera potencjału zwana barierą Schottky’ego

• Efekty polaryzacji są takie same, jak dla złącza p-n

• Mniejsza jest bariera potencjału oraz ładunek złącza,

ale tez mniejsze napięcie przebicia

• W odróżnieniu od złącza p-n dziury nie biorą udziału w zjawiskach

• Elementy, gdzie w przewodzeniu biorą udział

oba rodzaje nośników nazywamy bipolarnymi,

jeśli tylko jeden rodzaj nośników - unipolarnymi

39

ZŁĄCZE PN - PODSUMOWANIE

• Połączenie półprzewodników typu p i n wykazuje ciekawe właściwości

• Po przyłożeniu dodatniego napięcia do warstwy p możliwy jest przepływ

prądu, przy czym spadek napięcia na złączu wynosi dla krzemu ok. 0,7V

• Po przyłożeniu napięcia w kierunku zaporowym przepływ prądu jest

niemożliwy

• Charakterystykę prądowo-napięciową złącza można opisać równaniem

Schockley’a

• Przekroczenie pewnego poziomu napięcia wstecznego powoduje przebicie i

zniszczenie złącza

• Podobne właściwości do złącza p-n wykazuje złącze m-s (metal-

półprzewodnik)

40

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

41