ELEMENTY ELEKTRONICZNE

(1)

ELEMENTY

ELEKTRONICZNE

dr inż. Piotr Dziurdzia

paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, piotr.dziurdzia@agh.edu.pl

dr inż. Ireneusz Brzozowski

paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl

IM. STANISŁAWA STASZICAW KRAKOWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki

IE

U_E 0

Co to jest?

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne 2

n p

B₂

E

B₁

U_BB^' < U_BB^'' < U_BB^''' U_E

I_E

I_B

U_BB E’

R_E

ujemna rezystancja 0q



n0np0p





n n p p



q  



 ₀  

(2)

ELEMENTY PRZEŁĄCZAJĄCE

Pracują w stanie:

• blokowania (wyłączenia) – bardzo duża rezystancja,

• przewodzenia (włączenia) – bardzo mała rezystancja.

Już poznane to:

• dioda: polaryzacja zaporowa i przewodząca,

• tranzystor unipolarny: stan zatkania i przewodzenia

• tranzystor bipolarny: stan odcięcia i nasycenia

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – elementy przełączające 3

ELEMENTY

PRZEŁĄCZAJĄCE

tranzystor jednozłączowy

dynistor, diak tyrystor, triak

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – elementy przełączające 4

(3)

TRANYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – tranzystor jednozłączowy 5

n p

B₂

B₁ U_E I_E

I_B

U_BB E

rb2

r_b1

E' U_E'

BB B

B B BB B B

E U

r r U r r I

U 

 





 



2 1

1 1

'

Gdy dioda zatkana (IE=0):

2 1

1 B B

B

r r

r

 

 wewnętrzny

współczynnik podziału

I_E

UE 0

UBB ' < UBB'' < UBB'''

I_E↗  r_b1↘  U_j↗  I_E↗ U_RE↗ U_E↘

TRANYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY

n p B₂

E

B1

E B₂

B₁ emiter typu p

E B₂

B₁ emiter typu n

Philips Semiconductors:

2N2646

U_BB = 0 U_BB > 0

ujemna

rezystancja nasycenie blokowanie

(4)

TRANYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY

PARAMETRY

Philips Semiconductors: 2N2646

zakres ujemnej rezystancji

TRANYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY

ZASTOSOWANIE

Generator – wykorzystanie ujemnej rezystancji

RL

R2

R1

C

wy

UE

t

Uwy

(URL)

t

U_E

(5)

STRUKTURA p-n-p-n

Brak polaryzacji:

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – struktura p-n-p-n 9

p⁺⁺ n p⁺ n⁺⁺

J₁ J₂ J₃

A K

Polaryzacja zaporowa:

p⁺⁺ n p⁺ n⁺⁺

J1 J2 J3

A K

J₁ – zaporowo, J₂ – przewodząco, J₃ – zaporowo

STRUKTURA p-n-p-n

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – struktura p-n-p-n 10

Polaryzacja przewodząca:

p⁺⁺ n p⁺ n⁺⁺

J₁ J₂ J₃

A K

J1 – przewodząco, J2 – zaporowo, J3 – przewodząco Polaryzacja przewodząca:

p⁺⁺ n p⁺ n⁺⁺

J₁ J₂ J₃

A K

J1 – przewodząco, J2 – „przewodząco”, J3 – przewodząco I_A

blokowanie

przewodzenie akumulacja elektronów akumulacja dziur

(6)

DYNISTOR

EiT 2010 r. PD&IB Elementy elektroniczne – dynistor 11

A K I_A

UAK

A K

U_BR

UH U_B0

I_H IB0

U_B0 – napięcie załączenia U_H – napięcie podtrzymania U_BR – napięcie przebicia I_H – prąd podtrzymania

STRUKTURA p-n-p-n z BRAMKĄ

EiT 2010 r. PD&IB Elementy elektroniczne – tyrystor 12

p⁺⁺ n p⁺ n⁺⁺

J1 J2 J3

A K

G

Pod wpływem prądu bramki I_G następuje wstrzykiwanie elektronów z katody przez złącze J₃, które wywołują

przebicie lawinowe w złączu J₂ zanim napięcie U_AK osiągnie U_B0 – załączenie tyrystora

tyrystor

sterowany dynistor

Raz załączony tyrystor nie może być wyłączony prądem bramki (chyba, że jest to GTO).

Wyłączenie następuje przez zanik prądu anodowego, lub zmianę polaryzacji napięcia U_AK.

(7)

TYRYSTOR

I_A

UAK

U_BR

UH U_B0

I_H I_IN I_L

U_B1 U_B2

A K

G

A K

G

I_G=0 IG1

IG2 >

UBx – napięcie załączenia przy Igx

U_H – napięcie podtrzymania U_BR – napięcie przebicia I_H – prąd podtrzymania I_L – prąd pewnego przełączenia IIL – prąd włączenia przy UB0

TYRYSTOR

zastosowanie

• obwody o dużych prądach i napięciach

elektroenergetyka, napędy elektryczne, trakcje elektryczne, układy regulacji operujące na dużych mocach

• przekształtniki o fazowym sterowaniu

sterowniki napięcia zmiennego, sterowane prostowniki napięcia, falowniki

• w układach elektrotermicznych do regulacji mocy grzania

• w elektrotechnice samochodowej

tyrystorowe układy zapłonowe, a także zastępują układy przekaźnikowe

• sterowanie oświetleniem

tyrystorowe regulatory oświetlenia, ściemniacze

(8)

DIAK

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – struktura n-p-n-p-n – diak 15

p⁺⁺ n p⁺ n⁺⁺

J1 J2 J3

A K

Dwie struktury: n-p-n-p i p-n-p-n połączone równolegle

n⁺⁺ p n⁺ p⁺⁺

J₁ J₂ J₃

A K

p n p

K

Struktura pięciowarstwowa: n-p-n-p-n

A

DIAK

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – diak 16

I_A

U_AK

A K

(9)

DWA TYRYSTORY - TRIAK

EiT 2010 r. PD&IB Elementy elektroniczne – triak 17

K

Struktura pięciowarstwowa: n-p-n-p-n z bramką

A

n

G

p n p

n n

TRIAK

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – traiak 18

I_A

U_AK

A K

G

(10)

PÓŁPRZEWODNIKOWE PRZYRZĄDY

ŁADUNKOWE

CCD – Charge-Coupled Devices

EiT 2013 r. PD&IB 19

G

półprzewodnik typu P

B (podłoże)

O (SiO₂)

Kondensator MOS

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – CCD 20

U_G>> 0

zubożenie

warstwa zubożona studnia potencjału

brak inwersji

generacja termiczna – prąd ciemny

Czas relaksacji termicznej – czas potrzebny na wypełnienie obszaru zubożonego ładunkiem

Q_I i powstanie warstwy inwersyjnej (nasycenie)

równowaga termodynamiczna potencjał powierzchniowy:

F

s 

 2

F – potencjał Fermiego

(11)

Struktura CCD

G1

B (podłoże) O (SiO2)

G6

G2 G3 G4 G5

S D

Jak to działa?

Struktura CCD – transport ładunku

G₁

G₆

G₂ G₃ G₄ G₅

S D

U_{G 1} = U_in U_G2= U₁

UG2 U2 U1

t1 UG3

U2 U1

t1 t2

t2

(12)

Struktura CCD – transport ładunku

G₁

G₆

G₂ G₃ G₄ G₅

S D

U_G2= U₁

U_{G 1} = 0 U_G2= U₂

UG2 U2 U1

t1 UG3

U2 U1

t1 t2

t2

Struktura CCD – transport ładunku

G₁

G₆

G₂ G₃ G₄ G₅

S D

U_{G 1} = 0 U_G2= 0 U_G2= U₁

UG2 U2 U1

t1 UG3

U2 U1

t1 t2

t2 t3

t3

(13)

Struktura CCD – transport ładunku

G₁

G₆

G₂ G₃ G₄ G₅

S D

U_G2= 0

U_{G 1} = 0 U_G3= 0

UG2 U2 U1

t1 UG3

U2 U1

t1 t2

t2

Uzas

Uout

R_L Iout

t3

Struktura CCD należy do grupy:

charge transport devices CTD U_G6= U₁

U_G4= 0 U_G5= 0

t

Struktura CCD

Struktura CCD (podział):

• SCCD – surface charge-coupled device

• BCCD – bulk charge-coupled device z kanałem zagrzebanym Sposoby wprowadzania ładunku (informacji):

• generacja lawinowa pod bramką G

₁

• wstrzykiwanie nośników z obszaru dyfuzyjnego obok pierwszej elektrody

• generacja nośników w skutek oświetlenia – zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne

(14)

Struktura CCD

Parametry:

• maksymalna wielkość gromadzonego ładunku

• sprawność (efektywność) transportu ładunku 

stosunek ładunku odebranego na wyjściu do ładunku na wej.

Zjawiska:

• skończony czas przelotu (dyfuzja termiczna )

• rekombinacja i pułapkowanie ładunku w stanach powierzchniowych

• istnienie barier potencjałów pomiędzy studniami

• różne prędkości elektronów

Dn

L 5 , 2

 2



L – odległość, miedzy bramkami D_n – wsp. dyfuzji elektronów

Sensor optyczny CCD BUDOWA i DZIAŁANIE

G₁₁

p-podłoże

B O (SiO2)

G₁₂ G₁₃ G₂₁ G₂₂ G₂₃ G₃₁ G₃₂ G₃₃

₁

₂

₃

h _h h

out U₁

(15)

Sensor optyczny CCD

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – sensor CCS 29

„Hydrauliczna” zasada działania

http://www.science.ca/scientists/scientistprofile.php?pID=129&pg=1

Sensor optyczny CMOS

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – sensor CMOS 30

„Aktywny piksel”

http://en.wikipedia.org/wiki/Active_pixel_sensor

(16)

Porównanie CCD i CMOS

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – sensor CMOS 31

CCD CMOS

Duży zakres dynamiki Średni zakres dynamiki Małe szumy Większe szumy, ale szybszy Duży pobór mocy Średni pobór mocy Średnia niezawodność Bardziej niezawodny

(scalenie w jednym chipie) Małe rozmiary pikseli Większe rozmiary pikseli

Wymaga układów

zewnętrznych (odczytowych) Scalony w jednym chipie Duży współczynnik

wypełnienia

Mniejszy współczynnik wypełnienia Analogowy sygnał wyjściowy Cyfrowy sygnał wyjściowy

Sensory CCD i CMOS

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne – sensor CCD vs. CMOS 32

http://www.digital-photography.pl/index.php?lang=pl&page=artykuly&sp1=T4CMOS_CCD

(17)

BEZZŁĄCZOWE ELEMENTY

PÓŁPRZEWODNIKOWE

warystor, termistor, fotorezystor,

piezorezystor, rezonator piezoelektryczny, hallotron, magnetorezystor

WARYSTOR

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o silnej zależności rezystancji od napięcia

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – warystor 34

http://and.elektroda.eu/elektronika/inne/surge/

http://www.cyfronika.com.pl/iark3p2_smd.htm

I

U węglik krzemu

tlenki metali

IA

b

U 

A – stała materiałowa b – współczynnik nieliniowości

(zwykle od 0,1 do 1) U

VDR – Voltage Dependent Resistor

(18)

WARYSTOR Budowa:

Struktura polikrystaliczna z węgliku krzemu (SiC) lub tlenku cynku (ZnO) spiekana z domieszkami innych

tlenków metali (Bi2O3, MnO, Sb2O3, itp.)

ZnO Bi₂O₃

Ziarnista struktura warystora odpowiada elektrycznej sieci kondensatorów i rezystorów oraz

złącz półprzewodnikowych na krawędzi ziaren

WARYSTOR Parametry:

– max. napięcie pracy

– napięcie charakterystyczne (przy danym prądzie) – max. prąd

– max. rozpraszana moc

– max. energia rozpraszanego impulsu (i jego parametry) – pojemność

Zastosowanie:

– zabezpieczenia obwodów przed przepięciami

(zasilacze, prostowniki, rozwierane styki, linie energetyczne i transformatory, odgromniki itd.)

– stabilizacja napięcia

– filtry, przetworniki częstotliwości (wykorzystanie nieliniowości)

(19)

TERMISTOR

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – termistor 37

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od temperatury

T

http://sklepelektroniczny.com

http://www.eres.alpha.pl/

CTC PTC

NTC

R

NTC T U

I

Ch-ki rezystancyjno-temperaturowe

Ch-ka napięciowo-prądowa

T B NTC

T Ae

R _{_} 

BT PTC

T A Ae

R _{_}  ₁ ₂

A, A₁, A₂ – stałe wsp., B – stała materiałowa

TERMISTOR Rodzaje:

• NTC – (Negative Temperature Coefficient) ujemny współczynnik temperaturowy – wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji

• PTC – (Positive Temperature Coefficient) – dodatni współczynnik temperaturowy, tak zwany – wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji (pozystor)

• CTR – (Critical Temperature Resistor) – skokowa zmiana rezystancji – wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowny wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe)

CTC PTC

NTC R

T

(20)

Jak działa termistor?

 

^E^kT

i

g

e AT T

n ² ²

3 

 n_i300K1,510¹⁰cm^³ 1mm3

czyli w możemy znaleźć 15 milionów swobodnych elektronów !!!

i tyleż samo dziur ;))

Jaka jest wrażliwość zmian koncentracji swobodnych elektronów i dziur w samoistnym krzemie w otoczeniu temperatury T=300K?

należy obliczyć:

2 2

2 3

kT E T n dT dn

g i

i

i  



po podstawieniu danych otrzymujemy: _i



300K



8.3% kT E b

g

e AT

²

 

TERMISTOR

Budowa:

Bryła odpowiednio dobranego i ukształtowanego półprzewodnika z wyprowadzeniami.

Mieszanina sproszkowanych materiałów

półprzewodnikowych (tlenki: manganu, niklu, kobaltu i miedzi) połączona odpowiednim spoiwem, sprasowana

i spieczona w wysokiej temperaturze.

Mogą być wykonane jako:

pałeczki, krążki, pierścienie, cylindry, bryłki, cienkie warstwy naniesione podłoże, itd.

A. Świt, J. Pułtorak, „Przyrządy półprzewodnikowe”, WNT, Warszawa, 1979

(21)

TERMISTOR Parametry:

– rezystancja nominalna (R₂₅) – wartość rezystancji w temp. 25^oC – temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR, _T)

dla CTR – temperatura krytyczna – dopuszczalna moc strat

– tolerancja

Zastosowanie:

– pomiar i regulacja temperatury

– kompensacja temperaturowa innych elementów – obwody opóźniające i ograniczające prądy rozruchu – ograniczniki natężenia prądu (CTR)

– stabilizacja napięcia i amplitudy drgań

T R R_T

T 

 1 



FOTOREZYTOR

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – fotorezystor 42

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od oświetlenia

(natężenia promieniowania widzialnego i niewidzialnego)

R

E Ch-ka rezystancyjno-oświetleniowa Ch-ka prądowo-napięciowa





 



  E R E

R_E ₀ ⁰

RE – rezystancja fotorezystora E – natężenie oświetlenia R0 – rezystancja przy natężeniu E₀

 – współczynnik materiałowy dla CdS  = 0,5  1

LDR – Light Dependent Resistor

http://www.cyfronika.com.pl

P_max I

U Umax

E1

E₂ E3

E₄

E₅ E₁< E₂< E₃< E₄< E₅

IF

I

I  ₀ ^I⁰ – prąd ciemny IF – prąd fotoelektryczny

(22)

FOTOREZYSTOR

U

h półprzewodnik

Przewodność:

) ( n₀ p₀

q _n _p

 

I₀+ I_F

ilość nadmiarowych, samoistnych nośników:

p

GL

p

n  



GL – prędkość generacji

p – czas życia nośników nadmiarowych

wzrost przewodności:

) )(

( p _n _p

q  

  



fotoprzewodnictwo

Materiały: CdS – siarczek kadmu CdSe – selenek kadmu CdTe – tellurek kadmu

PbS, PbSe, CdHgTe, InSb, PbSnTe i inne

FOTOREZYSTOR Parametry:

– czułość widmowa

– rezystancja ciemna - bez oświetlenia

– rezystancja przy określonym oświetleniu (np. 10lx, 100lx) – czułość max. dla długości fali

– dopuszczalna moc strat

– czas odpowiedzi (przełączania),

Zastosowanie:

– proste mierniki oświetlenia

– automatyczne włączanie oświetlenia – detektory promieniowania kosmicznego

(23)

PIEZOREZYTOR

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – piezorezystor 45

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od naprężenia lub

deformacji mechanicznej

tensometry

czujniki mechano-elektryczne

piezoelektryczność [gr.], zjawisko piezoelektryczne, fiz. powstawanie ładunku elektrycznego na ściankach niektórych kryształów pod

wpływem ich ściskania lub rozciągania wzdłuż jednej z osi krystalograficznych; odkryta 1880 przez Pierre’a i Paula Curie;

wykorzystywana w przyrządach pomiarowych, mikrofonach, gramofonach.

http://encyklopedia.pwn.pl/haslo.php?id=3957064

PIEZOREZYSTOR

Tensometr krzemowy

l R k

R 



0

S R l

Tensometr rezystancyjny

pręt krzemowy

(wym.: 0,1x0,1x510mm)

R l  



odkształcenie:

mała czułość

l S

l l

R R k

0 0



R – rezystancja płytki po przyłożeniu siły, R₀ – rezystancja początkowa (bez działania siły) l – długość płytki po przyłożeniu siły, l₀– początkowa długość płytki (bez działania siły

k = 1,63,5

k = 40300 podkładka izolacyjna

(24)

PIEZOREZYSTOR - TENSOMETR

Parametry:

– czułość – rezystancja – wymiary

Zastosowanie:

– tensometry półprzewodnikowe

– piezorezystancyjne czujniki ciśnienia (w układach scalonych) – piezoelektryczny czujnik przyspieszenia

– silnik piezoelektryczny (mikrosilnik)

REZONATOR PIEZOELEKTRYCZNY

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – rezonator piezoelektryczny 48

Płytka wycięta z monokryształu kwarcu (SiO

₂

) po doprowadzeniu napięcia sinusoidalnego zaczyna drgać

z częstotliwością rezonansową, w skutek odwrotnego efektu piezoelektrycznego.















 



 





2 0 2

0

2 2

1 )

(

s k k s

s k s

k

C s C s Q sC

s Q s

Z

 

  C0

Lk

Ck

rk

Model zastępczy

k k

s LC

 1



rezonans szeregowy

k k s

k r

Q _ L

dobroć rezonatora



 



 







0 0

0 1 2

1

C C C

C C L C

k s

k k k

r 



rezonans równoległy

Reaktancja XZ w funkcji częstotliwości dla bezstratnego rezonatora kwarcowego

Rysunek zaczerpnięto z S. Kuta „Elementy i układy elektroniczne”, AGH 2000

(25)

PÓŁPRZEWODNIK W POLU MAGNETYCZNYM

Wpływ pola magnetycznego na nośniki ładunku w półprzewodniku

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – półprzewodnik w polu magnetycznym 49

U_x I

E_x

v_e

PÓŁPRZEWODNIK W POLU MAGNETYCZNYM

U_x I

B Siła Lorentz’a:

) (v B q

F  







v_e

E_x

(26)

PÓŁPRZEWODNIK W POLU MAGNETYCZNYM

U_x I

E_x

B_Z

V

E_y

z x H

y R J B

E 

RH – stała Halla:

dla pp. donorowych: dla pp. akceptorowych:

n

H qn

R 8

3





p

H qp

R 8

 3

HALLOTRON

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – hallotron 52

Przyrząd półprzewodnikowy, działający w oparciu o zjawisko Halla

U

B I_x1 I_x2 I_x3 Ch-ka oddziaływania pola

magnetycznego Ch-ka napięciowo-prądowa

wyjściowa

z x H y

y y y

y

B c I U R

I R U

U





 ) 0 (

) 0 (

Ry – rezystancja obszaru roboczego RH – stała Halla

c – grubość obszaru roboczego Uy

I_y B1

B2 B3 B1 < B2 < B3

Ch-ka napięciowo-prądowa oddziaływania prądu sterującego U_y

I_x B1 B2 B3 B1 < B2 < B3

http://www.cyfronika.com.pl

(27)

HALLOTRON

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – hallotron 53

Parametry:

– czułość

– rezystancja wejściowa R_x

– temperaturowy współczynnik rezystywności i stałej Halla – parametry graniczne (max. prąd, napięcie, temperatura pracy, itd.)

Zastosowanie:

– pomiar natężenia pola magnetycznego – różnego rodzaju czujniki ruchu

– pośredni pomiar dużych prądów, mocy itp.

– pomiary wielkości nieelektrycznych

(kąt obrotu, przesunięcie, drgania itp.)

MAGNETOREZYSTOR - GAUSSOTRON

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – gaussotron 54

Półprzewodnikowy nieliniowy rezystor o rezystancji zależnej od pola magnetycznego

R_B

B R₀

Ch-ka rezystancyjna

2 0

0 0

R SB R R R

R _B

 

  ^R⁰ – rezystancja początkowa

S – kwadratowy współczynnik magnetorezystancji B – natężenie pola magnetycznego

B

(28)

GAUSSOTRON

EiT 2012 r. PD&IB Elementy elektroniczne – gaussotron 55

Parametry:

– rezystancja początkowa

– współczynnik magnetorezystancji

Zastosowanie:

– podobne jak hallotrony

UKŁADY SCALONE

(29)

UKŁAD SCALONY - DEFINICJA

Układ scalony – układ elektroniczny wykonany jako nierozłączne połączenie

elementów elektronicznych, w jednym cyklu technologicznym wewnątrz lub na

wspólnym podłożu.

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – układy scalone 57

PODZIAŁ UKŁADÓW SCALONYCH

• Monolityczne – wykonane w „bryle” półprzewodnika

– bipolarne – unipolarne

• Hybrydowe – wykonane na wspólnym podłożu

– cienkowarstwowe – grubowarstwowe

• Analogowe – pracują z sygnałami analogowymi

• Cyfrowe – pracują z sygnałami cyfrowymi

(30)

UKŁADY SCALONE - PROJEKTOWANIE

NMOS

PMOS

tranzystor

UKŁADY SCALONE - PROJEKTOWANIE

rezystor cewka

kondensator

(31)

UKŁADY SCALONE - PROJEKTOWANIE

varaktor

UKŁADY SCALONE - PROJEKTOWANIE

(32)