Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji ...home.agh.edu.pl/~brudnik/downloads/LabEE/Wyklady/EiTwyklad_09.pdf · ELEMENTY PRZEŁĄCZAJĄCE Pracują w stanie: ... tyrystorowe

2014-05-13

1

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, [email protected]

dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, [email protected]

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji

Katedra Elektroniki

IE

UE

0

Co to jest?

EiT 2013 r. PD&IB Elementy elektroniczne 2

n

p

B2

E

B1

UBB ' < UBB

'' < UBB'''

UE

IE

IB

UBB E’

RE

ujemna rezystancja

pn pnq 000

pn pnq 0

2014-05-13

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

2014-05-13

3

TRANYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY

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

n

p

B2

B1

UE

IE

IB

UBB E

rb2

rb1

E'

UE'

BBBB

BBBBBE U

rr

rUrIU

21

11'

Gdy dioda zatkana (IE=0):

21

1

BB

B

rr

r

wewnętrzny współczynnik podziału

IE

UE

0

UBB ' < UBB

'' < UBB'''

IE ↗ rb1 ↘ Uj ↗ IE ↗ URE ↗ UE ↘

TRANYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY


n

p

B2

E

B1

E B2

B1

emiter typu p

E B2

B1

emiter typu n

Philips Semiconductors:

2N2646

UBB = 0

UBB > 0

ujemna rezystancja

nasycenie blokowanie

2014-05-13

4

TRANYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY PARAMETRY


Philips Semiconductors: 2N2646

zakres ujemnej rezystancji

TRANYZSTOR JEDNOZŁĄCZOWY ZASTOSOWANIE

Generator – wykorzystanie ujemnej rezystancji


RL

R2R1

Cwy

UE

t

Uwy

(URL)

t

UE

2014-05-13

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

IA

blokowanie

przewodzenie akumulacja elektronów

akumulacja dziur

2014-05-13

6

DYNISTOR

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

A K IA

UAK

A K

A K

A K

UBR

UH UB0

IH

IB0

UB0 – napięcie załączenia

UH – napięcie podtrzymania

UBR – napięcie przebicia IH – 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 IG następuje wstrzykiwanie elektronów z katody przez złącze J3, które wywołują przebicie lawinowe w złączu J2 zanim napięcie UAK

osiągnie UB0 – 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 UAK.

2014-05-13

7

TYRYSTOR


IA

UAK UBR

UH UB0

IH IIN

IL

UB1 UB2

A K

G

A K

G

IG=0

IG1 IG2 >

UBx – napięcie załączenia przy Igx

UH – napięcie podtrzymania

UBR – napięcie przebicia IH – prąd podtrzymania IL – 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


2014-05-13

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

IA

UAK

A K

2014-05-13

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

IA

UAK

A K

G

2014-05-13

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

UG >> 0

zubożenie

warstwa zubożona

studnia potencjału brak inwersji

generacja termiczna – prąd ciemny

Czas relaksacji termicznej – czas potrzebny na wypełnienie

obszaru zubożonego ładunkiem QI i powstanie warstwy inwersyjnej (nasycenie)

równowaga termodynamiczna potencjał powierzchniowy:

Fs 2F – potencjał Fermiego

2014-05-13

11

Struktura CCD


G1

półprzewodnik

typu P

B (podłoże)

O (SiO2)

G6 G2 G3 G4 G5

S D

Jak to działa?

Struktura CCD – transport ładunku


G1

półprzewodnik

typu P

B (podłoże)

O (SiO2)

G6 G2 G3 G4 G5

S D

UG 1 = Uin UG2 = U1

UG2

U2

U1

t1

UG3

U2

U1

t1

t2

t2

2014-05-13

12



G1

półprzewodnik

typu P

B (podłoże)

O (SiO2)

G6 G2 G3 G4 G5

S D

UG2 = U1 UG 1 = 0 UG2 = U2

UG2

U2

U1

t1

UG3

U2

U1

t1

t2

t2



G1

półprzewodnik

typu P

B (podłoże)

O (SiO2)

G6 G2 G3 G4 G5

S D

UG 1 = 0 UG2 = U1 UG2 = 0

UG2

U2

U1

t1

UG3

U2

U1

t1

t2

t2

t3

t3

2014-05-13

13



G1

półprzewodnik

typu P

B (podłoże)

O (SiO2)

G6 G2 G3 G4 G5

S D

UG2 = 0 UG 1 = 0 UG3 = 0

UG2

U2

U1

t1

UG3

U2

U1

t1

t2

t2

Uzas

Uout

RL

Iout

t3

t3

Struktura CCD należy do grupy:

CTD charge transport devices

UG6 = U1 UG4 = 0 UG5 = 0

t

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 G1

• wstrzykiwanie nośników z obszaru dyfuzyjnego obok pierwszej elektrody

• generacja nośników w skutek oświetlenia – zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne


2014-05-13

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

nD

L

5,2

2

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

Sensor optyczny CCD

BUDOWA i DZIAŁANIE


G11

p-podłoże

B

O (SiO2)

G12 G13 G21 G22 G33 G31 G32 G23 1

2

3

h h h

out

U1

2014-05-13

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

2014-05-13

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

2014-05-13

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

bIAU

A – stała materiałowa b – współczynnik nieliniowości (zwykle od 0,1 do 1)

U

VDR – Voltage Dependent Resistor

2014-05-13

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)


2014-05-13

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

T NTC

U

I

Ch-ki rezystancyjno-temperaturowe

Ch-ka napięciowo-prądowa

T

B

NTCT AeR _

BTPTCT eAAR 21_

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

2014-05-13

20

Jak działa termistor?


kT

E

i

g

eATTn 22

3

310105,1300 cmKni

31mmczyli 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:

222

3

kT

E

Tn

dT

dn

g

i

i

i

po podstawieniu danych otrzymujemy: %3.8300 Ki

kT

E

bg

eAT 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

2014-05-13

21

TERMISTOR

Parametry: – rezystancja nominalna (R25) – wartość rezystancji w temp. 25oC

– 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

RT

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

ERRE

00

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 Pmax

I

U

Umax

E1

E2

E3

E4

E5

E1 < E2 < E3 < E4 < E5

FIII 0I0 – prąd ciemny IF – prąd fotoelektryczny

2014-05-13

22

FOTOREZYSTOR


U

h półprzewodnik

Przewodność:

)( 00 pnq pn

I0 + IF

ilość nadmiarowych, samoistnych nośników:

pLGpn

GL – prędkość generacji p – czas życia nośników nadmiarowych

wzrost przewodności:

))(( pnpq

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


2014-05-13

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


lkR

R

0

S

lR

Tensometr rezystancyjny

pręt krzemowy (wym.: 0,1x0,1x510mm)

Rl odkształcenie:

mała czułość l S

l

lR

R

k0

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 = 1,63,5

k = 40300 podkładka izolacyjna

2014-05-13

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 (SiO2) po doprowadzeniu napięcia sinusoidalnego zaczyna drgać z częstotliwością rezonansową, w skutek odwrotnego

efektu piezoelektrycznego.

2

0

20

22

1

)(

sk

k

s

sk

s

k

C

Cs

QssC

Qs

sZ

C0

Lk

Ck

rk

Model zastępczy

kk

sCL

1

rezonans szeregowy

k

ksk

r

LQ

dobroć rezonatora

0

0

02

11

C

C

CC

CCL

ks

k

kk

r

rezonans równoległy

Reaktancja XZ w funkcji częstotliwości dla bezstratnego rezonatora kwarcowego

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

2014-05-13

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

Ux I

Ex

ve




Ux I

B Siła Lorentz’a:

)( BvqF

ve

Ex

2014-05-13

26




Ux I

Ex

BZ

V

Ey

zxHy BJRE

RH – stała Halla:

dla pp. donorowych: dla pp. akceptorowych: n

Hqn

R8

3

p

Hqp

R8

3

HALLOTRON

HALLOTRON

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

Przyrząd półprzewodnikowy, działający w oparciu o zjawisko Halla

U

B

Ix1

Ix2

Ix3

Ch-ka oddziaływania pola magnetycznego

Ch-ka napięciowo-prądowa wyjściowa

zxH

y

yyyy

BIc

RU

IRUU

)0(

)0(

Ry – rezystancja obszaru roboczego RH – stała Halla c – grubość obszaru roboczego

Uy

Iy

B1

B2

B3

B1 < B2 < B3

Ch-ka napięciowo-prądowa oddziaływania prądu sterującego

Uy

Ix

B1

B2

B3 B1 < B2 < B3

http://www.cyfronika.com.pl

2014-05-13

27

HALLOTRON

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

Parametry: – czułość

– rezystancja wejściowa Rx

– 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

RB

B R0

Ch-ka rezystancyjna

2

0

0

0

SBR

RR

R

R B

R0 – rezystancja początkowa

S – kwadratowy współczynnik magnetorezystancji B – natężenie pola magnetycznego

B

2014-05-13

28

GAUSSOTRON

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

Parametry: – rezystancja początkowa

– współczynnik magnetorezystancji

Zastosowanie: – podobne jak hallotrony

UKŁADY SCALONE


2014-05-13

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

2014-05-13

30

UKŁADY SCALONE - PROJEKTOWANIE


NMOS

PMOS

tranzystor



rezystor cewka

kondensator

2014-05-13

31



varaktor



2014-05-13

32





Documents

Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji ...home.agh.edu.pl/~brudnik/downloads/LabEE/Wyklady/EiTwyklad_09.pdf · ELEMENTY PRZEŁĄCZAJĄCE Pracują w stanie: ... tyrystorowe