PRIEMYSELNÁ ELEKTRONIKA

Prednáška 1

Prednášky: Ing. Ján KAŇUCH, PhD. E-mail: [email protected]

2.p. B-blok, miestnosť č. 235

PRIEMYSELNÁ ELEKTRONIKA

Čo je to?

► VLASTNÁ VODIVOSŤ

Aby polovodič viedol elektrický prúd, musí obsahovať voľné nabité častice.

Uvoľnený elektrón sa začne pohybovať kryštálom a na jeho mieste vzniká prázdne miesto - diera , ktorá má kladný náboj, generuje sa pár elektricky nabitých častíc.

Pohyb diery - na chýbajúce miesto po uvoľnenom elektróne sa dostane iný elektrón a diera vznikne inde.

Na uvoľnenie elektrónu z pevnej väzby v kryštalovej mriežke je potrebná energia, ktorá prekoná väzobnú energiu.

Poslanie prednášky • Vlastné a prímesové polovodiče

• Polovodičové diódy

• Aplikácia diód

Kľúčové slová Polovodič, PN priechod, dióda, varikap, Zenerová

dióda, Schottkyho dióda, tunelová dióda, LED usmerňovač, stabilizátor napätia

Študijná literatúra: Prednáška ZÁKLADY ELEKTRONIKY - Linus Michaeli, Technická univerzita v Košiciach,

2007 Str. 15 – 45 ELEKTRONIKA 1 - Jozef Čuntala, Žilinská Univerzita 2004 Str. 9 – 18

Vlastné polovodiče

Polovodiče - sú materiály, ktoré sa nachádzajú medzi dvoma skupinami predstavovanými vodičmi a izolátormi. Vodiče - najlepšie známymi vodičmi sú kovy, ako meď, hliník, alebo zlato, ktoré majú elektronickú rezistivitu rádovo 10-5 Ω.cm pri izbovej teplote. Izolátory - akými sú materiály mika, diamant, krištáľ, zafír majú elektrický odpor 1012 Ω.cm pri izbovej teplote. Čisté monokryštalické polovodiče - sú podobné izolátorom s výnimkou toho, že majú nižší elektrický odpor. Spoločnou vlastnosťou izolátorov aj polovodičov je to, že nárast teploty spôsobuje aj nárast elektrickej vodivosti.

Vlastné polovodiče

Čisté polovodiče sa nazývajú vlastnými polovodičmi pokiaľ ich vlastnosti závisia len od ich materiálového zloženia. Pri izbových teplotách elektrický odpor čistého monokryštalického kremíka je 2,27.105 Ω.cm a pre krištalické germánium je 45 Ω.cm pre kryštalické galiumarzenit 7,94.107 Ω.cm. Kremík a germánium sú monokryštalické a sú to elementárne polovodiče. Zmes zloženia tvorená medzi prvkami tretej a piatej skupiny Mendelejevovej tabuľky alebo medzi skupinami 2 a 6 v periodickej tabuľke, môžu tvoriť tiež polovodiče. Príkladom zložených z polovodičov je galiumarzenit alebo sírankadmia.

Zložené polovodiče sú vhodné pre optické diódy alebo isté rýchle logické obvody, ale prevažná väčšina polovodičových obvodov je vytvorená na báze kremíka.

Vodivé a valenčné pásma pre vodiče a.) polovodiče b.) a izolanty c.)

Elektronická štruktúra izolátorov a vlastných polovodičov je identická. Obidve štruktúry sú charakterizované pásmom povolených energií a energetických stavov oddelených pásmom zakázaných energetických úrovní.

Šírka zakázaného pásma medzi valenčným vodivostným pásmom sa označuje ako energetická medzera s hodnotou Eg - viď obr.

Energetická šírka zakázaného pásma jednotlivých polovodičov a izolátorov

Prímesové polovodiče Pridanie istého množstva prímesí do kryštálovej štruktúry polovodičov vytvára prímesové polovodiče, ktoré sú z hľadiska aplikácie oveľa zaujímavejšie. Základné-vlastné- polovodiče sú prvky zo štvrtej skupiny periodickej tabuľky s kryštalickou štruktúrou. Prímesami meniacimi vlastný polovodič na prímesový sú prvky z tretej alebo piatej skupiny periodickej tabuľky. Tieto prímesy sa vyznačujú tým, že na valenčnej dráhe majú o jeden elektrón viac alebo menej ako je štrukúra hosťujúceho atómu vlastného polovodiča. Keď východiskovým materiálom je kremík, atómy typu fostor a arzén z piatej skupiny nahradia atóm kremíka v kryštálickej štrukúre.

Prímesové polovodiče typu N a P

POLOVODIČOVÉ DIÓDY Základnou časťou každého polovodičového prvku je PN priechod, ktorý tvorí základ aj polovodičovej diódy.

Dióda je tvorená priechodom polovodičov typu P a N. Diódy sú konštruované ako jeden celok polovodičového materiálu , kde jedna jeho strana je dotovaná akceptormi (P-typ) a druhá donormi (N-typ).

Na konštrukciu diód sa využívajú tri typy polovodičov: • Germánium (Ge) (šírka zakázaného pásma 0,67 eV) • Kremík (Si) (šírka zakázaného pásma 1,1 eV) • Gáliumarsenid (GaAs) (šírka zakázaného pásma 1,4 eV) V konštrukcii diód sa uplatňuje v prevažnej miere kremík. Z dôvodov väčšej šírky zakázaného pásma umožňuje činnosť do vyšších teplôt. Gálium arzenid sa používa predovšetkým pri aplikáciách v mikrovlnovej a vf technike.

Dióda bez externého zdroja

IS - zvyškový prúd

ID - prúd diódy

UB - barierové napätie

poloha

El. potenciál

Ochudobnená oblasť

Dióda polarizovaná v priepustnom smere

Dióda polarizovaná v závernom smere

Ak kladný pól zdroja pripojíme na materiál typu P a záporný na materiál typu N, dióda je zapojená v priepustnom smere. Ochudobnená oblasť sa zúži v dôsledku priťahovania majoritných nosičov na opačnú stranu a diódou preteká prúd. Ak pripojíme zdroj na diódu opačne, hovoríme o zapojení v závernom smere. Ochudobnená oblasť sa rozšíri a dióda sa správa ako izolátor .

V-A charakteristika diódy Polarizačné napätie UD v priepustnom smere je úmerné šírke zakázanej vrstvy. (Kremíkové diódy 0,6 V, Kremíkový PN priechod na integrovaných obvodoch 0,75 V, Germániové diódy 0,25 V, Gálium arzenidové diódy 1,2 V.)

- zvyškový prúd

- prúd diódy

NÁHRADNÁ SCHÉMA DIÓDY

LINEARIZÁCIA V-A CHARAKTERISTIKY DIÓDY

Pri malom stupni dotácie sa dióda správa nasledovne: Ak je na anóde (A) pripojený vyšší potenciál ako na katóde (K) odpor prechodu je veľmi malý. Hovoríme tiež, že dióda je otvorená, alebo že je zapojená v priepustnom smere (ideálna dióda má v priepustnom smere nulový odpor). Pri zámene potenciálov je odpor prechodu veľmi veľký, dióda je zapojená v závernom smere a je zatvorená (v závernom smere má ideálna dióda nekonečne veľký odpor). Je teda zrejmé, že polovodičová dióda je súčiastka, ktorá má nesúmernú volt ampérovú charakteristiku. Charakteristika reálnej diódy je naviac nelineárna. Jej tvar však veľmi závisí od množstva prímesí (stupňa dotácie). Diódy s takýmito vlastnosťami sa nazývajú usmerňovacie.

Usmerňovacie diódy

VA charakteristika ideálnej diódy VA charakteristika usmernovacej diódy

Pri zvyšovaní dotácie PN prechodu sa koleno závernej časti VA charakteristiky približuje k počiatku rýchlejšie ako koleno priepustnej. Pri istej dotácii sa tak nachádza koleno závernej časti VA charakteristiky bližšie k počiatku ako koleno priepustnej. VA charakteristika takejto diódy má potom inverzný tvar oproti VA charakteristike usmerňovacej diódy.

Inverzná dióda

Podľa tvaru VA charakteristiky a vlastností voči usmerňovacej dióde sa dióda nazýva inverzná. Keďže napätie oboch kolien charakteristiky je menšie ako 1V inverzná dióda sa používa na usmerňovanie veľmi malých napätí.

Varikapy Záverne polarizovanú diódu si možno predstaviť aj ako kondenzátor, kde ochudobnená oblasť predstavuje dielektrikum. Kapacita PN priechodu pri nulovom polarizačnom napätí sa vplyvom záverného napätia mení. Napätím riadená zmena kapacity diód sa využíva v napätím ladených rezonančných obvodoch. Diódy produkované špeciálne pre tieto účely sa nazývajú varikapy.

Zenerové diódy

Zenerova dióda sa využíva len v závernom smere. Po prekročení Zenerovho napätia UZ (cca 3 - 50V) dôjde k vratnému "prerazeniu" prechodu a prúd prudko rastie, pričom napätie na dióde je skoro nemenné. Prechodom prúdu sa ale dióda zahrieva a preto nesmie dôjsť k prekročeniu maximálneho prúdu IMAX, inak by došlo k nenávratnému tepelnému poškodeniu diódy. K stabilizácii sa využíva rozsah prúdov IMIN až IMAX.

Stabilizátor napätia so ZD

Schottkyho diódy

Schottkyho dióda je tvorená spojením kovu (napr. hliníka (Al) alebo platiny (Pt)) a kremíka typu N. Často sa využíva v integrovaných obvodoch pre aplikácie veľmi rýchlych spínačov. Schottkyho dióda má volt-ampérovú charakteristiku podobnú charakteristike kremíkovej diódy s výnimkou prahového napätia UF = 0,3 V ( oproti 0, 7V pre kremíkové diódy).

Pokiaľ použijeme obyčajnú usmerňovaciu diódu v obvodoch s vysokými frekvenciami, prejaví sa nežiaduci jav, kde sa po zmene vstupného napätí do zápornej polvlny oblasť PN prechodu nestihne dostatočne rýchlo vyprázdniť a ešte nejakú chvíľu vedie prúd i v závernom smere. To rieši vysokofrekvenčné diódy so špeciálnou technológiou výroby usmer-ňovacieho prechodu, ako napríklad hrotová dióda alebo Schottkyho dióda s prechodom tvoreným dvojicou polovodič-kov, ktorá vyniká veľkou rýchlosťou prepínania prechodu a má nižšie difúzne napätie (0,3V), ale tiež nižšie maximálne záverné napätí (10-150V).

Tunelová dióda Tunelová dióda je podstatne viac dotovaná ako Zenerova dióda, čo spôsobuje, že vyprázdnená oblasť je veľmi malá. To zvýši rýchlosť činnosti, takže tunelová dióda je vhodná pre veľmi rýchle aplikácie. Keď' sa predpätie v priamom smere zvyšuje, prúd rýchlo rastie (tunelový efekt) až do prierazu. Potom prúd rýchlo klesá (oblasť záporného odporu).

oblasť záporného diferenciálneho odporu

charakteristika normálnej diódy

Tunelová dióda je zaujímavá práve z hľadiska spomenutej oblasti záporného diferenciálneho odporu. Môžeme ju použiť v spojení s ladeným obvodom ako oscilátor vysokých frekvencií s vysokým Q.

Tunelové diody z výroby n.p. TESLA

K vzniku voľných nosičov náboja v polovodičoch je potrebné dodať množstvo energie, ktoré je pre daný materiál rovné tzv. šírke zakázaného pásma. U niektorých materiálov je šírka zakázaného pásma taká malá, že ku vzniku voľných nosičov náboja postačuje dodanie svetelnej energie. Keďže dodaním energie sa zvyšuje v polovodiči len množstvo minoritných nosičov náboja, osvetlením sa mení výrazne odpor diódy len v závernom smere. Takéto diódy, citlivé na svetlo, sa nazývajú fotodiódy. Ich VA charakteristika v závernom smere sa výrazne mení s osvetlením. Osvetlenie je teda parametrom tejto závislosti.

Fotodiódy

Odporové fotodiódy Fotodiódy, u ktorých sa mení odpor v závernom smere s osvetlením, sa nazývajú odporové fotodiódy. Ich citlivosť na svetlo sa využíva v optických snímačoch. Optické snímače bývajú spojité (expozimetre), alebo diskrétne (svetelné závory, čítačky kusov, meranie otáčok, ...)

Hradlové fotodiódy Pri určitej intenzite osvetlenia určitej skupiny fotodiód sa na ich svorkách môže objaviť elektrické napätie. Takéto diódy sa nazývajú hradlové. Veľkosť napätia je však veľmi malá (desiatky mV) a malý je aj prúd, ktorý sú schopné dodať do záťaže. Sérioparalelným spojením väčšieho množstva takýchto diód možno získať veľkosti napätí postačujúce na napájanie rôznych elektrických obvodov. Takéto alternatívne zdroje energie sa nazývajú fotočlánky .

Fotodióda

Fotočlánok

čoch sa uvoľňuje energia, ktorej veľkosť závisí od šírky zakázaného pásma daného materiálu. Od ΔW závisí aj frekvencia vyžarovania tejto energie. U bežných polovodičových materiálov (Si, Ge) táto emisia nie je viditeľná. Zliatiny arzénu a gália (As, Ga) už majú frekvenciu žiarenia v pásme infračervenom a pridaním fosforu (P) dokonca v pásme viditeľnom. Takéto diódy sa nazývajú elektroluminiscenčné diódy alebo LED diódy. Materiál použitý na výrobu týchto diód určuje frekvenciu emisie svetla a v prípade viditeľného pásma aj jeho farbu.

Elektroluminiscenčné diódy LED

LED diódy teda menia elektrickú energiu na svetelnú. Svetelný výkon takýchto meničov je veľmi malý, majú však oproti iným veľkú účinnosť, preto sa v prevažnej miere používajú na indikáciu a signalizáciu.

Pri rekombinácii voľných nosičov náboja v polovodi-

Vo usporiadaní do sedem segmentového alebo maticového displeja sa používajú na zobrazenie numerických alebo alfanumerických znakov. Trojicami červených, zelených a modrých (základné farby) LED diód sú vytvárané veľkoplošné farebné obrazovky.

Aplikácia diód Zapojenie usmerňovačov

s odporovou záťažou

Jednoimpulzový usmerňovač

Najjednoduchší usmerňovač, tvorený len jednou diódou, je jednofázový jednocestný, čiže jednoimpulzový usmerňovač (obr.1a).

Dióda prepúšťa prúd len v kladných polperiódach a počas zápornej polperiódy prúd neprepúšťa.

Pre odporovú záťaž usmerňovača je jednosmerný prúd veľmi zvlnený (obr.1b).

Dvojimpulzový uzlový usmerňovač

Výhody: vysoká účinnosť, pre odporovú záťaž usmerňovača je jednosmerný prúd menej zvlnený, Nevýhody: zložitý transformátor, diódy sú namáhané na vysoké záverné napätie

Obr.2. Schéma a časový priebeh výstupného napätia dvojcestného uzlového usmerňovača.

Mostíkové zapojenie usmerňovača je typom dvojcestného usmerňovača, ktorý potrebuje transformátor s jedným sekundárnym vinutím. Vyžaduje však použitie štyroch usmerňovacích diód, ktoré sú však menej napäťovo namáhané ako v jednoduchšom type dvojcestného usmerňovača, takže je možné použiť diódy s menším prípustným záverným napätím URM.

Dvojimpulzový mostíkový usmerňovač Jednofázový usmerňovač v mostíkovom zapojení je dvojimpulzový usmerňovač (obr.3a). Vyplýva to z toho, že na výstupe usmerňovača sú priepustne polarizované obe polperiódy sekundárneho napätia napájacieho transformátora (obr.3b).

Pokiaľ je v bode a kladnejší potenciál ako v bode b , je medzi bodom a a elektrickou zemou napätie u2 a prúd iF tečie cez diódu D1 a záťaž RZ do elektrickej zemi. Samozrejme, keďže prúd v obvode musí vtekať do druhého uzla skutočného zdroja ( u nás je to transformátor ), musí prúd iF ešte tiecť cez diódu D2 do bodu b. Bod b je vďaka otvorenej dióde D2 spojený s elektrickou zemou výstupného obvodu usmerňovača.

Princíp činnosti mostíkového usmerňovača

Na záťaži vzniká zodpovedajúce pulzujúce napätie, podobne ako tomu bolo u dvojcestného usmerňovača popísaného vyššie. Maximálna hodnota tohto napätia je len o niečo menšia ako u dvojcestného usmerňovača, pretože sú v činnosti vždy dve diódy v sérii ( teda úbytok napätia na diódach je dvojnásobný ) a aj z tohoto dôvodu má usmerňovač väčší vnútorný odpor.

Pokiaľ je v bode b kladnejší potenciál ako v bode a , je medzi bodom b a elektrickou zemou napätie u2’ a prúd iF‘ tečie cez diódu D3 a záťaž RZ do elektrickej zemi. Podobne aj tu tečie prúd iF’ ešte cez diódu D4 do bodu a. Bod a je vďaka otvorenej dióde D4 spojený s elektrickou zemou výstupného obvodu usmerňovača.

Napäťový násobič Zdvojovač napätia

Kaskádne zapojenie

Diódový obmedzovač napätia

Diódy sú často používané v tvarovacích obvodoch, kde pomocou napätí sa obmedzuje prekročenie napätia cez nastavenú úroveň.

Jednosmerný posun striedavého signálu Posunutie jednosmerného napätia kombináciou kondenzátora a diódy sa dosiahne obvodom podľa obrázku. Výsledkom je sínusový priebeh na výstupe s tou istou amplitúdou a frekvenciou s posunom jednosmernej úrovne na hodnotu –U1.

Delič napätia Stabilizátor napätia

Diódové logické obvody Diódy sa využívajú aj na vytvorenie logických funkcií. Vysoké napätie +UNap predstavuje „logickú 1“ označovanú ako „1“. Keď niektorý zo vstupov A alebo B je pripojený na zem aj výstupný signál má logickú úroveň „0“. Len súčasné pripojenie vstupov A a B na úrovne „1“ zabezpečuje takúto úroveň „1“ na výstupe.

Vytvorenie logického hradla AND diódovou logikou

Vytvorenie logického hradla OR diódovou logikou

Aplikácia Zenerovej diódy Stabilizátor napätia

VA charakteristika Zenerovej diódy má tvar podľa obr. 1a (kladná orientácia napätia +U na obr. 1 zodpovedá tzv. závernému smeru). V závernom smere, v oblasti U < Uz

má ZD veľmi veľký odpor, v tzv. Zenerovej oblasti je napätie na dióde prakticky konštantné (v tejto oblasti sa ZD využíva na stabilizáciu napätia vo vhodne navrhnutom obvode). Prúd v závernom smere nesmie prekročiť hodnotu Imax , aby nedošlo k poškodeniu diódy. V priepustnom smere sa ZD chová ako bežná dióda (v širokom rozsahu prúdov napätie na dióde je v rozmedzí 0,4 V – 0,8 V, dióda predstavuje rezistor s malým, obvykle zanedbateľným odporom).

Idealizovaná VA chara-kteristika ZD, ktorá sa niekedy využíva pri zjednodušenom riešení nelineárnych obvodov, má tvar podľa obr. 1b (v priepustnom smere je RD=0, UD

= 0, v Zenerovej oblasti je U= Uz

= konšt.).

Obr. 1 VA charakteristika stabilizačnej diódy: a) skutočná, b) idealizovaná

Stabilizátor napätia

Obr. 2 Stabilizátor napätia so Zenerovou diódou

Najjednoduchšie zapojenie stabilizátora napätia so Zenerovou diódou je na obr. 2, v ktorom je ZD vzhľadom na zdroj s konštantným napätím U1

zapojená v závernom smere. Napätie na záťaži, ktorou je rezistor R2

, je v širokom rozsahu hodnôt odporu R2

približne konštantné, U2

= UZ ≈ konšt.

Predradený odpor R0 má v obvode ochrannú

funkciu – zaisťuje, aby prúd cez ZD neprekročil v pracovnej Zenerovej oblasti dovolenú hodnotu.

Pri návrhu obvodu s vybranou Zenerovou diódou s napätím Uz a pre zvolené

napätie zdroja U1 treba dodržať určité podmienky. Konkrétne treba stanoviť:

1) minimálnu hodnotu R0 tak, aby prúd diódy neprekročil hodnotu Imax ,

2) rozsah hodnôt odporu záťaže R2, v ktorom pracovná oblasť ZD leží v Zenerovej oblasti.

1) Určenie R0 :

V obvode na obrázku v Zenerovej oblasti (ak uvažujeme ideálnu VA charakteristiku ZD) platí:

odtiaľ

nezávisle od R2 .

Pre R2 → ∞ je I2

= 0, I0 = ID , pričom musí byť splnená požiadavka :

Teda platí :

Tomu zodpovedá minimálna hodnota odporu R0min

2) Určenie rozsahu R2 : Pri využití poučky o náhradnom aktívnom dvojpóle, ktorá umožní zjednodušiť analýzu obvodu a ak zvolíme určitú hodnotu napätia zdroja U1* a hraničnú – minimálnu hodnotu R2 , pre ktorú ešte obvod stabilizuje, tak :

V analyzovanom prípade ide o stabilizáciu napätia U2

pri konštantných hodnotách U1* a R0

a pri premenlivom odpore R2 .

Šírka zakázaného pásma pre KREMÍK je: 1. 0,67 eV 2. 1,1 eV 3. 1,4 eV 4. 1,6 eV

Dióda je tvorená spojením kovu (napr. hliníka alebo platiny) a kremíka typu N sa nazýva : 4. Varikap 5. Tunelová 6. Schottkyho 7. Zenerová

Jednosmerný posun striedavého signálu dosiahneme zapojením: 7. diódy a kondenzátora 8. antiparalelným zapojením dvoch diód 9. diódy s paralelným odporom 10. sériovým zapojením diódy so Zenerovou diódou.

Ďalšia prednáška: Bipolárny tranzistor – princíp funkcie. Aplikácie bipolárnych tranzistorov – stabilizácia pracovného bodu, zosilňovače, spínače, klopné obvody, tvarovače signálu.

Študijná literatúra:

Prednáška ZÁKLADY ELEKTRONIKY - Linus Michaeli, Technická univerzita v Košiciach,

2007 Str. 47 – 76 ELEKTRONIKA 1 - Jozef Čuntala, Žilinská Univerzita 2004 Str. 19 – 30