ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKA Kevad 2020 Pooljuhid Martin Jaanus NRG-308 martin.jaanus@ttu.ee 56 91 31 93 Õppetöö : http://isc.ttu.ee Õppematerjalid : http://isc.ttu.ee/martin
Teemad Pooljuhtseadised Dioodid p-n siire, diood, stabilitron, valgusdiood, fotodiood,optron Transistorid bipolaartransistor, väljatransistor Türistorid dinistor, trinistor, sümistor
Pooljuhid Madal elektrijuhtivus toatemperatuuril Elektrijuhtivus kasvab temperatuuri tõustes. Poolmetallid (metalloidid) Ge, Si,Se Mõned oksiidid ja sulamid Juhtivust saab muuta lisanditega (doping) Räniaatomid 45,000,000 x.suurendatult -wikipedia
N ja P tüüpi pooljuhid Puhtas pooljuhis on vabade elektronide arv võrdne aukude arvuga, sest kovalentsideme katkemisel moodustuvad paarikaupa üks vaba elektron ja auk. Erineva lisandiga saadakse erinevat tüüpi juhtivus. Laengukandjateks muutuvad N tüüpi pooljuhis elektronid P tüüpi pooljuhis augud. N tüüpi (lisatud fosfor) P tüüpi (lisatud alumiinium)
p-n siire Põhiline kaasaegse elektroonikaseadme ehituskivi. Tekib erinevate lisanditega pooljuhtmaterjalide kokkupuutel. Toimub üleminek aukjuhtivuselt P elektronjuhtivusele N. Ruumilaengu mõjul tekib tõkkekiht P doping N doping P N Vabad augud Vabad elektronid
Pingestamata p-n siire P kihil on elektronide vähesuse tõttu positiivne laeng. N kihil on elektronide rohkuse tõttu negatiivne laeng. Siirde läheduses olevad elektronid täidavad lähemad augud. Positiivsed ja negatiivsed laengud seetõttu kaugenevad, tekib nendevaheline pinge (räni puhul 0,6...0,7 V ) P - - - - - - - N- - - - - - - - - Vabad augud Vabad elektronid
Vastupingestatud p-n siire Vastaslaengud tõmbuvad kihtide otstele. Tõkkekiht (laenguta ala) suureneb. Elektrivoolu ei teki. Augud Elektronid - - - - - - - - - - - - - - P N Vabad augud Vabad elektronid
Päripingestatud p-n siire Tõkkekiht väheneb, kuna laengud tõugatakse siirde poole. Alates avanemispingest (räni puhul 0,6...0,7 V) tekib vool. Augud Elektronid - - - - - - - - - -- - - - - - P N Vabad augud Vabad elektronid
Elektroonikakomponent - diood Mittelineaarne kaksklemm Idee pärineb aastast 1874, kus saksa teadlane Ferdinand Braun avastas pooljuhtefekti kristallides. Alaliigid: Mahtuvusdiood, tunneldiood, valgusdiood, stabliitron... Anood Katood Hüdraulika analoog tagasilöögiklapp
Elektroonikakomponent - diood Juhtivus sõltub pingest Põhieesmärk vahelduvsignaali alaldamine I dioodi vool IS vastupingestatud dioodi küllastusvool VD dioodi pinge VT - termopinge k Boltzmanni konstant T absoluutne temperatuur q elektroni laeng
Elektroonikakomponent - diood Päripingestatud ränidioodi aseskeem
Valgusdiood (LED) Valgusdiood on pn-siirdega diood, mis muundab elektrienergiat nähtavaks valguseks, samuti optiliseks kiirguseks spektri infrapunases või ultravioletses osas. LED= Light Emitting Diode, 1961, 200 USD tüki hind Pooljuhtmaterjal GaAs,InP 1968 masstootmine- punane, infrapunane, 5 senti tk. 1995 Sinine valgusdiood InGaN (Shuji Nakamura), sai aastal 2006 milleeniumi tehnoloogia auhinna. Mitmevärviline LED ühes kestas (punane, roheline, sinine). Ehk suvaline värvus 2009 Valgusdioodide masskasutus olmes (valgustid) Tööpõhimõte elektoluminessents, mis tekib elektronide ja aukude rekombinatsioonil. P-N siire tehakse serva peal. Pilt - wikipedia
Valgusdiood (LED) Eeltakisti arvutus Kasutame Kirchhoffi pingeseadust (arvutame takistile jääva pinge VR=Vs-VL Ohmi seadust R=VR/I Vs Valgusdioodi läbiv vool normaalolekus 10-20 ma VL 10 ma voolu korral Infrapuna - 1.1 V Punane 2 V Kollane 2.2 V Roheline 2.3V Sinine - 3.3 V Valge - 3.3 V Sõltub tehnoloogiast
Fotodiood Fotodiood on pooljuhtdiood, mille elektrilised omadused sõltuvad tema pn-siirdele langevast valgusest Sisefotoefekti toimel tekitab valgus siirdes elektromotoorjõu. Fotogalvaaniline diood muudab valgusenergia elektrienergiaks (päikeseelemendid 1954) Vastupingerežiim -fototakistid, pildisensorid (CCD).
Optron Samas kestas paiknev kiirguselement ja kiirgustundlik element (valgusdiood, fotodiood). Patent 1963, USA Kasutatakse, kui on vajalik signaali (andmete ülekanne) aga elektrilist sidestust tuleb vältida. Kiirgur - tavaliselt infrapuna valgusdiood Vastuvõtja fotodiood, -takisti,- transistor, -türistor Suletud või avatud kanaliga https://www.electronics-tutorials.ws/blog/optocoupler.html
Stabilitron Alandatud läbilöögipingega diood Kasutatakse põhiliselt tugipingeallikana Stablilitroni (zeneri) V-A karakteristik (digikey.com)
Elektroonikakomponent - transistor Kolmklemm Olemuselt tüüritav takisti (transformer of resistor) Hüdraulika analoog kraan Väikese energiakuluga tüürime suuremat energiavoogu Bipolaartransistor Väljatransistor
Transistor (mõned kuupäevad) Transistori sünniaastaks loetakse aastat 1947, mil John Bardeen, William Shockley ja Walter Brattain demonstreerisid bipolaartransistorit. Väljatransistor patenteeriti 1925 aastal aga ideest kaugemale ei jõutud. 1951 - sai transistore poest osta. 1953 - esimene transistorarvuti. 1954 ränitransistor 1958 esimene integraallülitus (mikroskeem)... 2016-25 miljonit transistori ruutsentimeetrile Pilt- wikipedia (Transistor)
Sisend (V,I) Väljund (V,I) Võimendi Võimendi on seadis, mis välist energiaallikat kasutades tõstab signaali võimsust. Saab käsitleda kui mittepööratavat kaksporti, vajab aktiivkomponenti. Vcc K Pingevõimendi Vooluvõimendi V-I muundur (ülekanne - juhtivus) I-V muundur (ülekanne - takistus) Ülekanne (võimendus) K V = V out V in, K V db = 20 log(k V ) Võimsusvõimendus K P = P out P in, K P db = 10 log(k P ) K I = I out I in, K I db = 20 log(k I ) K V ei pea = K I Võimsus on võrdeline pinge (ja ka voolu ) ruuduga!
Võimendi üldtööpõhimõte Milline on Vout ja sõltuvus sisendist Vin? G1 V out V V cc V in G2 -V cc V out = 2 V cc G 1 G 1 G 2 V cc Kui G1=G2 (R1=R2) siis V out = 0 Isegi kui nad erineksid, ei sõltuks väljund üldse sisendist!
Võimendi üldtööpõhimõte Milline on Vout ja sõltuvus sisendist Vin G? 1 V out = 2 V cc V G 1 G cc 2 Lahendus kasutame komponenti, mille takistus sõltub näiteks sisendpingest. G 2 = G 0 V in X Näiteks Vcc=10 V G1=1mS (1 kω) V G0=1mS (1 kω) in X=0.1 S/V Kui V in siis V out = 0 Aga kui nüüd V in muutub 0 2mV? G 2 = 1mS 2mV 0.1 S V = 1.2mS G1 V out = 2 10V V out V G2 = G 0 V in X V cc KOLM- KLEMM! -V cc 1mS 10V = 0.9V 1mS 1.2mS 1mS Aga kui nüüd V in muutub 0-2mV? V out = 2 10V 10V = 1.1V G 2 = 1mS 2mV 0.1 S V = 0.8mS 1mS 0.8mS Probleem - lineaarsus, muutus toimub nimetajas, selle vastu on skeemilahendused!
Bipolaartransistor Kaks juhtivust PNP ja NPN Võib võrrelda dioodidega Olemuselt vooluga tüüritav takisti Enamlevinud analoogelektroonikas
Bipolaartransistor Võimendustoime põhineb siirete vastastikusel mõjul. Baas on väga õhuke, võrreldes emitteri ning kollektoriga. Sisendignaal rakendatakse emittersiirdele. Emittersiire Kollektorsiire Elektronid Augud Rekombinatsioon
Bipolaartransistor Kui β on suur, siis lihtsuse mõttes loeme baasivoolu nulliks! Lihtsustab tunduvalt ligikaudseid arvutusi.
Bipolaartransistor võimendina Võimalik ühendada kolmel viisil. Transistor töötab aktiivrežiimis.
Bipolaartransistor lülitina Valdavalt kasutusel digitaalelektroonikas. Kaks olekut avatud ning suletud. Võimalikud koormused
Väljatransistor Elektriväli mõjutab laengute liikumist Olemuselt pingega tüüritav takisti Põhiline komponent mikroelektroonikas (IT) 100 miljonit tükki aastas inimese kohta (USA 2016) Kaks juhtivust N ja P, tüübid MOSFET ja J-FET Pais (gate) Läte (source) Neel (drain) Ümberkujundatud Ohmi seaduse pilt internetist
P-N väljatransistor (J-FET) Elektriväli muudab kanali tegevristlõiget Olemuselt pingega tüüritav takisti, N ja P kanaliga Saab võrrelda elektronlambiga Kasutatakse harva, põhiliselt analoogelektroonikas. S source, läte G gate, pais D drain, neel N tüüpi pooljuht P-N siire P tüüpi pooljuht (kanal) P kanaliga väljatransistor J-FET
Isoleeritud paisuga väljatransistor Elektriväli muudab laengukandjate kontsentratsiooni kanalis. MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor) Tänapäeva digielektroonika põhiline komponent Kaks juhtivust - N ja P kanaliga N- tüüpi kanal P tüüpi alus Formeeritud kanaliga (voolukanal sisse moodustatud) Indutseeritava kanaliga (kanal tekib pingestamisel), Inditseeritava kanaliga väljatransistor
Väljatransistori kasutamine Võimendina Lülitina
Transistorite võrdlus Bipolaartransistor Väike sisendtakistus Vajab tüürimiseks voolu Temperatuuritundlik Väiksem tundlikkus staatilise elektri suhtes Väljatransistor Suur sisendtakistus Omamüra madalam Temperatuuri mõju väiksem, neeluvool temperatuuri tõustes nõrgeneb. Pais on tundlik staatilise elektri suhtes
Elektroonikakomponent - türistor Olemuselt tüüritav takisti (kreeka keeles thyra üks' ja inglise keeles resistor 'takisti ) Kolme siidega pooljuhteadeldis Dinistor (dioodtüristor), Trinistor (trioodtüristor) Enamlevinud jõuelektroonikas http://www.ene.ttu.ee/elektriajamid/oppeinfo/aav3361/22.html
Elektroonikakomponent - türistor Sümistor (TRIAC) olemuselt kaks vastassuunas ühendatud türistori. Vahelduvpingeahelate tüürimiseks Sümmeetriline dinistor (DIAC), Kasutusel põhiliselt kaitselülitustes
Türistoride ühendamine Lihtsamad kasutusviisid Pildid: https://www.electronics-tutorials.ws/power/thyristor-circuit.html