Podstawy elektroniki i miernictwa

Podstawy Elektroniki
i
Miernictwa
dr hab. inż. Janusz Martan
(pok. 4.17 B4, tel. 320-4221)
Wrocław 2010
(na prawach rękopisu)
Wrocław 2010
(na prawach rękopisu)
1
Wprowadzenie
1.Systematyka Przyrządów Elektronicznych
2. Podstawowe definicje
- Rodzaje prądu elektrycznego
- Obwód elektryczny
- Podstawowe Prawa Rządzące obwodami
elektrycznymi
3. Fizyczne Podstawy Działania Przyrządów
Półprzewodnikowych
2
4. Złącze p-n
5. Złącze m-s
6. Tranzystor Bipolarny
- zasada działania tranzystora bipolarnego
- układy pracy i sposoby polaryzacji
tranzystora bipolarnego
- współczynnik wzmocnienia prądowego
- charakterystyki i parametry pracy
tranzystora bipolarnego
3
- parametry statyczne tranzystora
bipolarnego
- praca dynamiczna tranzystora
bipolarnego – przełączanie
- praca tranzystora bipolarnego z
małym sygnałem
- częstotliwości graniczne tranzystora
bipolarnego
- definicje częstotliwości granicznych
4
- szumy w tranzystorze bipolarnym
- współczynnik szumów
7. Tranzystory polowe
- tranzystory polowe ze złączem p-n
- zasada działania tranzystora PNFET
- struktura rzeczywista tranzystora PNFET
- charakterystyki statyczne tranzystora
PNFET
- praca dynamiczna nieliniowa
5
- praca z małymi sygnałami
- parametry tranzystorów złączowych
- tranzystory polowe ze złączem
Schottky’ego
- charakterystyki i parametry tranzystora
MESFET
- tranzystory unipolarne MISFET
- tranzystory z kanałem indukowanym
-tranzystor MOSFET z kanałem
wbudowanym
6
- tranzystory MISFET
- praca dynamiczna nieliniowa
- parametry statyczne tranzystora MISFET
- tranzystory cienkowarstwowe
8. Układy Scalone
- układy scalone warstwowe
- rezystor cienkowarstwowy
- monolityczne układy scalone
- procesy wytwarzania
7
- izolacja elementów
- realizacja tranzystorów
- realizacja rezystorów
- realizacja kondensatorów
- realizacja elementów indukcyjnych
- realizacja połączeń elementów
- podsumowanie
- cyfrowe układy scalone
- podstawowe parametry cyfrowych
układów scalonych
8
- bramki proste
- bramka OR
- bramki kombinowane
- systematyka konstrukcyjnotechnologiczna układów cyfrowych
- bramki logiczne z tranzystorami
nasyconymi
- schemat elektryczny bramki TTL (NAND)
- bramki TTLS
bramka ECL
9
- bramka IIL
- bramki logiczne MOS
- inwerter komplementarny CMOS
- bramki logiczne – podsumowanie
- funktory
- złożone układy logiczne
- pamięci półprzewodnikowe
- klasyfikacja pamięci półprzewodnikowych
- podstawowe parametry pamięci
- pamięć stała ROM
10
- pamięć RAM
- pamięć S-RAM
- pamięć DRAM
- schemat matrycy DRAM
- układy CCD
- analogowe układy scalone
- systematyka
- struktura analogowych układów scalonych
11
- układy polaryzacji i dopasowania poziomu
napięć
- wzmacniacz operacyjny
- stabilizator napięcia
- przetworniki C/A i AC
- próbkowanie
- zasada Nyquista
- kwantyzacja
- przetworniki A/C
12
- przetwornik A/C równoległy
- przetwornik C/A
9. Optoelektronika
- nadajniki i odbiorniki optoelektroniczne
- elementy bierne i aktywne
- przykłady możliwości zastosowań
optoelektroniki
- światłowody
13
- dyspersja sygnału
- źródła światła
- diody LED
- lasery
- detektory
- fotodiody PIN
- fotodiody lawinowe
- fotodiody oparte na złączu Schottky’ego
- fotodiody MSN
14
10 Wprowadzenie do miernictwa elektrycznego
- wzorce miar
- wzorzec miary natężenia prądu
- wzorzec miary napięcia
- przyrządy pomiarowe
- mierniki analogowe
- mierniki magnetoelektryczne
- amperomierz
- woltomierz
15
- omomierz
- multimetry analogowe
-mierniki elektromagnetyczne
- oscyloskop
16
1. W P R O W A D Z E N I E
Mikroelektronika
układy scalone 0,8 m wymiar charakterystyczny
Nanoelektronika
układy scalone VLSI  0,1 m wymiar charakterystyczny
Rys.1.1.Prognoza z 1997r.dla
wymiaru charakterystycznego w
układach krzemowych
17
A. wg. możliwości sterowania mocą
1. Bierne
- rezystory stałe i regulowane,
- kondensatory,
- elementy indukcyjne (cewki,
transformatory)
- elementy piezoelektryczne,
- przewody, łączówki itp.
2. Czynne
- lampy
- diody półprzewodnikowe i tranzystory
- tyrystory
18
Systematyka układów scalonych
1. wg. konstrukcji i technologii
hybrydowe (cienko i grubowarstwowe)
monolityczne (półprzewodnikowe)
- standardowe (produkcja wielkoseryjna)
- na zamówienie (ASIC)
19
3. wg. sposobu „reagowania” na sygnał -podział
aplikacyjny
 analogowe (liniowe) np. wzmacniacz operacyjny
 cyfrowe np. pamięci
20
a)
b)
c)
d)
e)
f)
miniaturyzacja
obniżka ceny (w Pentium 10-4 – 10-5 zł/tranzystor)
wzrost niezawodności
wzrost częstotliwości
wzrost iloczynu Pmax • f
zmniejszenie szumów (fluktuacje, słabe sygnały)
Rys.1.2.Prawo Moore’a
21

2. Podstawowe definicje
Prąd elektryczny – uporządkowany ruch ładunków
elektrycznych
Natężenie prądu
Q
I
t
ogólnie
i – natężenie prądu
(przepływ stały)
dQ

dt
Q- ładunek elektryczny
t - czas
22
Rodzaje prądu elektrycznego
Prąd przemienny (AC, also ac) ruch (przepływ)
ładunków, zmieniających okresowo kierunek
ruchu.
Prąd stały (DC), the ruch (przepływ) ładunków
elektrycznych zachodzi tylko w jednym kierunku..
23
Sieć elektryczna-wzajemnie połączone
rezystory, pojemności cewki indukcyjne itd.
Obwód elektryczny – sieć tworząca zamknięty
obwód.
24
Pierwsze prawo Kirchhoffa: suma prądów
wpływających do węzła jest równa sumie
prądów wypływających z węzła.
węzeł
n
i
k 1
i1  i4  i2  i3
k
0
n – całkowita liczba prądów
wpływających lub
wypływających z węzła.
25
Drugie prawo Kirchhoffa: suma napięć w
obwodzie (oczku) jest równa zero.
Suma wszystkich napięć w oczku wynosi
zero.
v1 + v2 + v 3 + v 4 = 0
26
Prawo Ohma: napięcie na rezystorze (dowolnym
elemencie) równe jest iloczynowi natężenia prądu
przepływającego przez element i wartości
rezystancji tego elementu.
VR  i  R
27
Opór czynny i bierny
Opór elektryczny czynny (rezystancja) – miara
oporu, jaki dany element stawia przepływowi
ładunku elektrycznego.

l
R
S
-rezystywność zwana oporem właściwym, jest
oporem elementu o jednostkowej długości i
jednostkowym polu przekroju poprzecznego
-rezystywność –cecha materiału
28
Reaktancja X (opór bierny) – charakteryzuje obwód
elektryczny zawierający pojemność lub/i
indukcyjność.
Reaktancja
cewki
Reaktancja
kondensatora
XL L
1
XC 
 C
29
Przepływ prądu przemiennego –magazynowanie
energii w polu elektrycznym i magnetycznym
ogólnie:
U L ,C  i  X L ,C
L
C
X  X L  XC
30
Impedancja (Z)- wypadkowa oporu
czynnego (R) i biernego X
Z R X
2
2
lub
Z=R+jX
31
Obwód rezonansowy
rezonans gdy X L  X C
UL
iL
UC
iC
oporność wypadkowa =
oporność wypadkowa =0
(rezonans prądów)
(rezonans napięć)
32
Częstotliwość rezonansowa obwodu

1
f 

2 2 LC
Zastosowanie – filtry selektywne
33
Schematy zastępcze
Schemat zastępczy rezystora dla prądu
stałego
34
Schemat zastępczy rezystora dla prądu
zmiennego
1
Admitancja Y 
 j C
R  j L
35
Szeregi wartości - wartości
znamionowe ułożone są w szeregi
geometryczne
q  10
n
gdzie n= 6; 12; 24
E6 = 1
E12 1
1,2
1,5
1,5
1,8
2,2
2,2
2,7
3,3
3,3
 20%
10%
36
Kolor
Cyfra
Mnożnik
brak
Tolerancja
20%
srebrny
10-2
10%
złoty
10-1
5%
czarny
0
1
brązowy
1
10
1%
czerwony
2
102
2%
pomarańc
3
zowy
103
żółty
4
104
zielony
5
105
0,5%
niebieski
6
106
0,25%
fioletowy
7
107
0,1%
szary
8
108
0,05%
biały
9
109
37
Definicje materiałów półprzewodnikowych:
• materiały o rezystywności pośredniej
między dielektrykami a metalami
(
)
38
• materiały, których
właściwości elektryczne
(rezystywność) silnie zależą
od:
-temperatury
-oświetlenia,
-koncentracji domieszek (czystości).
39
materiały o szerokości pasma
zabronionego
< 5eV
(1eV=1,6·10-19J)
40
Systematyka „chemiczna” półprzewodników
1. Pierwiastkowe
IV grupa np: Si, Ge, C; tranzystory, układy scalone
2. Związki chemiczne (stechiometryczne)
a) IV-IV grupa
np.SiC,
b) III-V grupa
np. GaAs, GaN,
(optoelektronika
np.lasery)
c) II-VI grupa np. CdSe; (detektory
promieniowania
41
3. Kryształy mieszane (dwa lub więcej
pierwiastków lub związków)
np. GexSi1-x
0<x<1
Ga0,13In0,87As0,37P0,63 - diody
mikrofalowe Gunna
4. Polimery
42
Struktura krystaliczna materiałów półprzewodnikowych
Sieć krystaliczna - uporządkowanie atomów w postaci
regularnej sieci o periodycznie powtarzalnych w
przestrzeni komórkach.
Materiały bezpostaciowe
(amorficzne) – brak
powtarzalnej struktury
układu atomów
43
2. Materiały krystaliczne
a) materiały polikrystaliczne – lokalne
periodyczne uporządkowanie budowy
b) monokryształy – periodyczne
uporządkowanie budowy w
całej objętości półprzewodnika
44
0
r
poziom jonizacji
N
M
poziom walencyjny
L
K
n=1 (max. 2 elektrony)
W
(energia)
Jądro atomu
Maksymalna liczba atomów na
danej orbicie =2n2
45
energia zerowa w
nieskończoności
pasmo przewodnictwa (elektrony
swobodne)
pasmo
walencyjne
jądra
46
Model pasmowy ciała stałego
pasmo przewodnictwa
Wc
WG
pasmo zabronione
Wv
pasmo walencyjne
Rozszczepienie poziomów (tyle poziomów ile atomów- odległość między poziomami
~10-23 eV )
47
Klasyfikacja materiałów z użyciem modelu
pasmowego
energia
pasmo przewodnictwa
Wc
Wg~
Wg=Wc-WV pasmo
>5 eV izolatory
do 5 eV półprzewodniki
brak
metale
zabronione
WV
pasmo walencyjne
odległość
materiał
Ge
Si
C
GaAs
InSb
Wg(eV)
0,7
1,1
5
1,35
0,18
48
Nośniki prądu w półprzewodniku
Półprzewodnik samoistny
Pasmo przewodzenia
Pasmo przewodzenia
elektron
WG
T=0K
rekomb.
gener.
dziura
T>0K
49
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
dziura e
Si
Si
n – koncentracja wolnych elektronów
p– koncentracja dziur
n = p = ni – półprzewodnik samoistny
50
Półprzewodnik domieszkowy
półprzewodnik typu „n” (donory: Sb, P, As, - V grupa)
Si
Si
Si
Si
Si
P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
51
pasmo przewodnictwa
pasmo przewodnictwa
Wd
T300K
T=0 K
nNd>>(ni,p)
52
Półprzewodnik typu „p”
(akceptory: B, Al, In, Ga – III grupa)
Si
Si
Si
Si
dziura
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Si
53
pasmo przewodnictwa
pasmo przewodnictwa
Wa
T=0 K
T300K
pNa>>(ni, n)
54
1. Bezładne ruchy cieplne (~105m/s)
2. Ruchy skierowane
a) unoszenie (dryft) w polu elektrycznym
b) dyfuzja pod wpływem gradientu koncentracji
55
1. Ruchy skierowane
Ad.a unoszenie (dryft) w polu elektrycznym
Kierunek przepływu
prądu
56
Ad. b dyfuzja pod wpływem gradientu
koncentracji
dużo elektronów
mało elektronów
układ dąży do wyrównania
koncentracji nośników
gradient koncentracji!!
57
Złożone pole sił:
pole elektryczne pochodzenia
zewnętrznego (polaryzacja) +
pole sił cząstek
lub
pole elektryczne pochodzenia
wewnętrznego (pole wbudowane) + pole
sił cząstek.
58
W polu elektrycznym cząstka nabywa prędkość
v=·E
v – prędkość cząstki [m/s]
E – natężenie pola elektrycznego [V/m]
 - ruchliwość [m2 /V·s]; współczynnik proporcjonalności
stały przy małych wartościach E
59
Ruchliwość zależy od:
- koncentracji wprowadzonej domieszki
- temperatury
- natężenia pola elektrycznego
Konduktywność półprzewodnika
Ruch ładunku (naładowanej cząstki) = przepływ prądu
J=E
prąd unoszenia
J – gęstość prądu [A/m2]
 - konduktywność [1/(m)]
60
Dwie składowe prądu unoszenia – dziurowa i
elektronowa
Kierunek przepływu prądu
Ju=Jup+Jun
dla elektronów:
Jun =qnvn = qnnE
vn
dla dziur: Jup
=qpvp = qppE
61
J un  J up
Ju
 

 q ( n n  p p ) konduktywność
E
E
 i  eni (  n   p )
n  p  ni
półprzewodnik samoistny
 n  en n  eN d  n
n  p
półprzewodnik „n”
 n  ep p  eN a  p
p  n
półprzewodnik „p”
62
Zależność konduktywności od temperatury
dla pp „n” lgn=lge+lgn+lgn (q=e)
lg n
Nd jonizacja
domieszek
1/T
lg 
rozpraszanie na
rozpraszanie na
jonach
fononach
domieszki
1/T
lg 
Nd
„i”
1/T
63
Dyfuzja nośników
Dyfuzja – ruch pod wpływem gradientu koncentracji
JDn=qDn grad n
D – współczynnik dyfuzji (m2/s)
JDp= qDp grad p
W równowadze
J=Jun+JDn=0
- dla pp typu „n”
64
Wzory Einsteina
(łączą unoszenie z dyfuzją)
kT
Dn 
n
q
Dp
kT

p
q
65
półprzewodnik jednorodny
+
+
+
+
+
+
++
+
+
+
+
+
+
półprzewodnik niejednorodny
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+ ++ +
+ +
Nd
+
+
+
Nd
x
x
66
+ +
+
+
+ ++ +
+ +
+ +
+
+
+
+
+ +
+ +
+
+
+
+
+
Ewbud
+
kT 1 dN d
E


q N d dx
Ju+JD=0
67
Absorpcja fotonu:
-generacja pary elektron dziura w pp „i”
-jonizacja donora lub akceptora w pp domieszkowym (T )
W
W
elektron
Wc
W
Wg
dziura
„i”
Warunek:
Wd
Wc
+
Wv
Wv
„n”
Wg
dla pp „i”
h Wc-Wd dla pp „n”
Wa-Wv dla pp „p”
Wc
-
Wa
Wv
„p”
68

n
stała czasowa
t
generacja
=10-2...10-1 s.
rekombinacja
t
maksymalna częstotliwość pracy pp. ok. kilku do kilkudziesięciu Hz
69
Fotorezystor – przyrząd półprzewodnikowy, w którym
wykorzystano zjawisko zmiany konduktywności
półprzewodnika pod wpływem oświetlenia.
Charakterystyka prądowo-napięciowa fotorezystora
I
’’ ’

R
U
hiperbola
 = enn  R~1/n ~ 1/



70
Rodzaje złącz:
1. Złącze p-n
a) homozłącze – dwa obszary tego samego
półprzewodnika ale o różnym typie przewodnictwa
b) heterozłącze– dwa obszary różnych pp np..(Ge i Si)
2. Złącze l-h
(dwa obszary półprzewodnika tego samego typu, o
różnym stopniu domieszkowania np.. n+-n, p+-p)
3. Złącze m-s (metal – półprzewodnik)
4. Struktura M-I-S (metal – izolator – półprzewodnik)
71
Rozkład koncentracji ładunku i powstanie bariery
potencjału w złączu p-n
- przed połączeniem oba obszary, p i n, są elektrycznie
neutralne
p
– +
–
+
n
–
+
–
– + –
+
+ +
–
– + – +
–
–
+
+
– –
–
+
–
+
+
– + +
+
+ dziury
– elektrony
–
+ + –+
– –
–
+ +
– – + +
+ + –+
–
+ –
–
+
– –
– + –
– + – +
+
– jony donorów
+ jony akceptorów
72
p
+
+
+
-
+
–
+
+
-
n
+
+
+
-
-
–
-
-
+
-
–
+
-
-
+
+
-
-
+
+
+
+
– +
–
+
+
–
–
+
–
+
+
–
+
–
+
–
–
– + – +
+
UD – napięcie dyfuzyjne
Napięcie na złączu U=UD < 0
73
p
+
–
–
–
n
–
– – – + +I + + n
dziur
+ +
+
– – – – +
Ielektr– –
+ + + +
–
p–
U
+ Uzasil
+
+
ID=Idziur+ Ielektr
Napięcie na złączu U=Uzasil – UD <0
74
Wzrost wielkości bariery potencjału (ten sam zwrot
napięcia zasilającego i dyfuzyjnego), zwiększenie
szerokości warstwy zubożonej. – prąd nasycenia Is
p
n
+p
– + +
+
–
–
–
–
+
+
–
– +
+
+
+
– +
– – – –
–
+
+ –
+
– – + + + +
+ – –
–
+
–
+
+
– –
+
–
– +– +
+ n–
U
Is
– +
Is
Uzasil Napięcie na złączu U= -Uzasil UD
75
Założenia idealizujące:
— pole elektryczne występuje tylko w obszarze zubożonym złącza
(wspomniana bariera potencjału),
— pozostałe obszary półprzewodnika maja zerową rezystancję,
— ruchy nośników poza złączem – dyfuzyjne,
— nie uwzględnia się efektu przebicia złącza.

 eU
I  I s exp
 kT

 
  1
 
wzór Schockley’a
76
I
I
mA
U

 eU  
I  I s exp
  1
 kT  

U
wzór Schockley’a
77
Model złącza idealnego uzupełnia się o zjawiska wykluczone
założeniami idealizującymi
Kierunek przewodzenia
1. Rezystancja szeregowa RS
URS
U
I
Rs
DI
+
Uzasil
–
Uzasil=U+URS
eU zasil  I  RS  
eU 


I  I S exp
 1  I S exp
 1
kT 
kT



78
Wpływ rezystancji szeregowej na charakterystykę złącza
p-n
ch-ka diody idealnej
ch-ka Rs
I
ch-ka wypadkowa
U
UDI
URs
Uzasil
79
Kierunek zaporowy
1. Rezystancja równoległa złącza
DI
Rr
I
Rr – rezystancja równoległa (upływu) niedoskonałości powierzchni pp.
model zastępczy złącza p-n
dla prądu stałego
Rr
U
charakterystyka wypadkowa
DI
Rr
Rs
I
80
I
Uprzeb
U
W stanie polaryzacji zaporowej następuje
gwałtowny wzrost prądu, gdy napięcie osiąga
wartość zwaną napięciem przebicia (Up).
Dwa mechanizmy przebicia:
— przebicie Zenera,
— przebicie (powielanie) lawinowe.
81
Przebicie Zenera (efekt tunelowy) – przejście
elektronów z pasma podstawowego do
przewodnictwa bez zmiany energii.
W
Warunki wystąpienia:
- cienkie złącze (< 1m)
- duża koncentracja domieszek
- duże natężenie pola elektrycznego w warstwie
zaporowej (107..108 V/m) ; - napięcie polaryzacji
pojedyncze volty
x
Zachodzi gdy Up<(4Wg)/e
82
Przebicie lawinowe – w złączu o znacznej
grubości nat. pola elektrycznego wynosi ok.106 V/m.
możliwa staje się jonizacja zderzeniowa przez
rozpędzone elektrony. ma ona charakter lawinowy
gdy l>>.
gdy Up> 6
gdy Up< 4
gdy 4
Wg
e
Wg
e
Wg
e
przebicie
lawinowe
przebicie Zenera
< Up<6
Wg
oba mechanizmy
e
jednocześnie
83
Kierunek zaporowy (przed przebiciem) – wzrostowi
temperatury towarzyszy generacja par elektron-dziura, rośnie więc
ilość nośników mniejszościowych (wzrost prądu nasycenia).
1 dI R
 7  9% / K
I R dT
przyrost T o 10K  dwukrotny wzrost prądu
I
U
T
84
dU
 2mV / K
dT
I=const
Przyrost temperatury o 10K  spadek napięcia o ok.. 10 – 20%
I
T
U
85
Warunki przebicia złącza p-n

Up=Up(0)[1+·T]
+
–
Up
przebicie
Zenera
przebicie
lawinowe
U
U
T
T
I
I
86
Wpływ światła na złącze przejawia się:
– jako zmiana prądu złącza spolaryzowanego
zaporowo wykorzystywana w detektorach
promieniowania (III ćwiartka charakterystyki),
– jako pojawienie się siły elektromotorycznej w
niespolaryzowanym złączu, efekt
fotowoltaiczny wykorzystywany w ogniwach
słonecznych (IV ćwiartka charakterystyki).
87
I


detektor
promieniowania
III ćwiartka
U
fotoogniwo
IV ćwiartka
88

R0
URo+Udiody=Uzasil
Uzasil
89
Czułość widmowa
detektora:
C 
If
P
 f ( )
If – prąd fotoelektryczny
P – moc promieniowania
Częstotliwość pracy foto detektora
C~
C_
1
0,707
fgr
f
Częstotliwość osiąga wartość k•10 MHz, w
rozwiązaniach specjalnych GHz
90
Izw – prąd zwarcia
Ef – siła elektromotoryczna (I=0)
Ropt – rezystancja obciążenia, przy której w diodzie wydziela się
max. moc
91
Siła elektromotoryczna fotoogniwa:
przez oświetloną diodę płynie prąd :
 eU 
I  I s exp
 1  I f
kT 

gdy I=0
to U=Ef
Sprawność:

 
stąd
kT  I f 
Ef 
ln 1  
e  Is 
Pe le k tr
 100 %
Pprom
Teoretyczna sprawność dla Si ok.25%, a praktyczna
kilkanaście %.
92
Mechanizm fizyczny – nośniki generowane światłem w
obszarze złącza podlegają rozdziałowi pod wpływem
bariery potencjału  ładowanie elektrod  prąd płynie w
obwodzie zewnętrznym.
Wykonania:
-krzem monokrystaliczny (Solar Grade Silicon)
- krzem polikrystaliczny (tańszy, mniejsza sprawność)
- krzem amorficzny (warstwa cienka – kalkulatory)
- inne materiały np.. GaAs, związki AIIBVI
93
Pojemność warstwy zaporowej CT (złączowa)
Pojemność CT związana jest z ładunkiem przestrzennym
donorów i akceptorów w warstwie zaporowej.
Qp Q n
p
n
+ – – –
+ – –
– +–
+
–
+
+
+
–
+
– + – – +– – – + + + – + + –
+ + –
–+
+ – –+ + –
+
+
+
–
–
–
+
+
–
–
+
CT 
dQ
dU
UD – napięcie
dyfuzyjne

U 


CT  Co 1 
 UD 
m
U=0
U - 
U
to C=C0
to C 0
to C  
|UD|
94
Napięcie zasilające złącze u=Uo + Umsin(t)
Uo - składowa stała
Um – amplituda sygnału
zmiennego
 - pulsacja sygnału = 2f
95
Spolaryzowane w kierunku przewodzenia złącze p-n
wstrzykuje nośniki mniejszościowe do obszarów poza złączem,
modyfikując rozkład ich koncentracji. Zmiana napięcia na
złączu zmienia wielkość ładunku przestrzennego (Q) co
odpowiada istnieniu tzw. pojemności dyfuzyjnej Cdyf
Pojemność dyfuzyjna to podstawowy czynnik ograniczający
max. częstotliwość pracy przyrządów ze złączem p-n
96
Rodzaje i zastosowania diod
półprzewodnikowych
Diody prostujące
1) prostownik jednopołówkowy
bez kondensatora
rozładowanie
97
2) prostownik dwupołówkowy
Napięcie
przemienne
Napięcie
przemienne
Uwyy
Napięcie
stałe
Dioda powinna mieć:

małe Rs,

duże Up,

duże Rr
Uwyy
t
98
Diody detekcyjne i mieszające
99
Diody pojemnościowe
+
-
C2
L
C1
Zmiana napięcia na diodzie powoduje zmianę jej
pojemności (złączowej). Pojemność diody dodaje się do
pojemności C1; zmienia się częstotliwość rezonansowa
układu.
100
Charakterystyka I=f(U) diody stabilizacyjnej
UZmax
UZmin
I
IZmin
hiperbola mocy
maksymalnej
Pmax
Zakres liniowy rezystancja dynamiczna
charakterystyki
IZmax
Im rd mniejsze tym lepszy efekt stabilizacji
U Z max  U Z min
rd 
I Z max  I Z min
101
Stabilizator oparty na diodzie Zenera
Rs
Uwe 10%
Robc
UZmax UZmin
I
IZmin
IZmax
102
3. Złącze m-s
Złącze m-s może mieć charakterystykę:
– liniową (symetryczną); złącze omowe
Charakterystyka liniowa (rezystora)
I
U
103
Złącze m-s
I
charakterystyka
prądowo-napięciowa
nieliniowego złącza m-s
U
Rodzaj złącza idealnego zależy od zależności prac wyjścia elektronów
z metalu (Am) i półprzewodnika (Ap)
Praca wyjścia elektronów z ciała stałego – energia jaką zużywa
elektron aby opuścić to ciało.
104
Złącze m-s
Na styku metalu z półprzewodnikiem występują dwa strumienie
elektronów:
– opuszczające metal i wchodzące do pp (epp)
– opuszczające pp i wchodzące do metalu (eme)
me
pp
epp
eme
Rme
Rzłącza
Rpp
105
Złącze m-s
Am>As
Am<As
me
eme
pp „n”
epp
Rme << Rzłącza << Rpp
złącze liniowe
me
eme
pp „n”
epp
Rme << Rzłącza >>Rpp
złącze prostujące
106
Złącze m-s
107
Złącze m-s
Model złącza m-s z uwzględnieniem stanów
powierzchniowych
Stany powierzchniowe, które w Si, Ge mają
charakter akceptorowy, powodują, że złącze me-pp
”n” ma charakter nieliniowy dla każdej relacji prac
wyjścia. Przechwytują one elektrony jonizując się
ujemnie i zubożając obszar przypowierzchniowy pp
w elektrony – pasma zaginają się do góry.
Kontakt omowy można uzyskać jednak gdy:
• warstwa zaporowa złącza będzie tak cienka,
że elektrony mogą tunelować
108
Złącze m-s
• stany powierzchniowe zostaną całkowicie zapełnione lub
opróżnione (silne domieszkowanie warstwy
przypowierzchniowej me – n+ - n (n+ - warstwa
podkontaktowa)
warstwa
podkontaktowa
metal
n+
pp „n”
109
Wprowadzenie
Jest to przyrząd, w którym nośnikami prądu są dziury i elektrony
(dwa rodzaje nośników). Wzmacniacz mocy sygnału.
Sterowany prądowo. Element transformujący rezystancję:
TRANSfer resISTOR
Efekt tranzystorowy odkryty w 1948r. przez Bardeena i Brittaina
przy badaniu sondą ostrzową diody ostrzowej. Teorię opracował
Shockley (wspólna nagroda Nobla).
110
Struktura i symbol
C
E
n
p
p
E
n
C
p
n
B
B
E
C
C
E
B
B
111
1. Praca aktywna normalna
złącze E-B kierunek przewodzenia
złącze C-B kierunek zaporowy
praca jako
wzmacniacz
I
IE
CB
I’E
EB
U
I’C
IC
IC
112
2. Zakres odcięcia
złącze E-B kierunek zaporowy
złącze C-B kierunek zaporowy
3. Zakres nasycenia
praca jako
klucz
złącze E-B kierunek przewodzenia
złącze C-B kierunek przewodzenia
4. Zakres inwersyjny
złącze E-B kierunek zaporowy
złącze C-B kierunek przewodzenia
113
p
p
n
UEB
IE
Emiter
UCB
Baza
Kolektor
IC
IB
+ -
+ -
IE=IC + IB
kontakty omowe
Złącze E-B spolaryzowane w kierunku przewodzenia
wstrzykuje dziury do bazy gdzie dyfundują one (tr. z jednorodną bazą)
lub są unoszone (tr. dryftowy) w kierunku złącza C-B. W bazie część
dziur rekombinuje z elektronami – prąd bazy przywraca równowagę
elektryczną bazie.
114
Zasada polaryzacji (zakres aktywny normalny)
p-n-p
n-p-n
UE>UB>UC
UE<UB<UC
UE - potencjał emitera
UB - potencjał bazy
UC - potencjał kolektora
Układy pracy tranzystora bipolarnego
IE>0
IE>0
IC<0
E
IC<0
IB<0
C
IB<0
B
B
UEB>0
UCB<0
B
B
OB
OB.
(wspólna baza)
E
C
UCE<0
UBE<0
E
E
OE
OE
(wspólny emiter)
UEC>0
UBC>0
C
C
OC
OC
( wspólny kolektor)
115
Polaryzacja złącz w poszczególnych układach pracy
OB
OE
OC
Polaryzacja złącz tranzystora bipolarnego z
jednego źródła napięcia
116
Układ OB
I C
 
I E
(np. 0,99)
IC jest nieco mniejsze niż IE bo:
– w bazie zachodzi rekombinacja nośników wstrzykiwanych
przez emiter (np.. dziur w p-n-p)
– nośniki wstrzykiwane do bazy przez emiter stanowią część
całego prądu emitera, który obejmuje też nośniki
wstrzykiwane z bazy do emitera (elektrony w p-n-p)
117
Układ OE: 

I C
I C



I B
I E  I C
1
Układ OC:  C 
(np.99)
I C  I B
I E

  1
I B
I B
(np. 100)
118
Charakterystyki i parametry statyczne
tranzystora bipolarnego
Parametry czwórnika można opisać związkami prądów i napięć np.:
I1
U1
I2
U2
6 możliwych par równań trzy następujące mają
największe znaczenie praktyczne:
a) równaniami mieszane
U1=f(I1,U2)
I2=f(I1,U2)
119
Charakterystyki i parametry statyczne
tranzystora bipolarnego
b) równania impedancyjne
U1=f(I1,I2)
U2=f(I1,I2)
c) równania admitancyjne
I1=f(U1,U2)
I2=f(U1,U2)
I1
U1
I2
U2
120
Charakterystyki i parametry statyczne
tranzystora bipolarnego
Równania mieszane
U1=f(I1)|
U1=f(U2)|
I2=f(I1)|
I2=f(U2)|
ch-ki wejściowe
U2=const
I1=const
U2=const
I1=const
ch-ki oddziaływania wstecznego
ch-ki przejściowe (prądowe)
ch-ki wyjściowe
Do wyznaczenia wszystkich ch-k wystarcza znajomość po jednej „rodzinie” z
każdej pary.
121
Charakterystyki i parametry statyczne
tranzystora bipolarnego
Układ OB
UEB=f(IE)
UCB=const
UEB=f(UCB)
IC=f(IE)
ch-ki wejściowe
ch-ki oddziaływania wstecznego
IE=const
ch-ki przejściowe (prądowe)
UCB=const
IC=f(UCB)
ch-ki wyjściowe
IE=const
IE>0
IC<0
E
C
UEB>0
UCB<0
B
B
OB
122
Charakterystyki i parametry statyczne
tranzystora bipolarnego
IE>0
IC<0
E
IB<0
C
IC<0
C
B
UEB>0
UCB<0
B
B
OB
UB
UCE<0
UBE<0
E
E
OE
123
Parametry statyczne tranzystora
bipolarnego
współczynnik wzmocnienia prądowego ( lub )
maksymalna moc admisyjna Pa=IC•Uwy
maksymalny prąd kolektora IC
maksymalne napięcie UCB i UCE (groźba przebicia
złącza kolektorowego)
- napięcie nasycenia (minimalna wartość napięcia
UCE)
-
124
Praca dynamiczna tranzystora
bipolarnego - przełączanie
włączanie : stan odcięcia  stan nasycenia
wyłączanie : stan nasycenia  stan odcięcia
Przy szybkich zmianach polaryzacji tranzystor
okazuje się przyrządem inercyjnym.
Przyczyna bezwładności: gromadzenie ładunków
w poszczególnych obszarach
tranzystora, przepływ prądów
ładowania i rozładowania przy
zmianach polaryzacji.
125
Skutek bezwładności –
opóźnienia sygnału
E5
E1
Eg
U
td – czas opóźnienia
tr – czas narostu
t
100%C
90%
t
10%
td
tr
ts tf
ts – czas magazynowania
tf – czas opadania
ton
toff
126
Gdy:
uEB=UoEB + UEBmsin(t)
uCB=UoCB + UCBmsin(t)
UEBm<< kT/e
UCBm<< UoCB + kT/e
Modele liniowe:
a) czwórnikowe (końcówkowe) „czarna skrzynka”
b) fizyczne (schematy zastępcze złożone z elementów
odpowiadających procesom fizycznym w tranzystorze)
Model czwórnikowy
i1
i2
u1
u2
małe litery - wartości chwilowe napięć i prądów
127
– admitancyjne
– mieszane (hybrydowe)
i1=f(u1,u2)
i2=f(u1,u2) ymn
u1=f(i1,u2)
i2=f(i1,u2) hmn
W praktyce stosuje się przede wszystkim równania mieszane, gdyż
parametry macierzy hmn mają łatwą interpretację fizyczną i
graficzną (nachylenia charakterystyk).
równania mieszane:
u1=h11·i1 + h12·u2
i2 = h21·i1 + h22·u2
128
h11 
h12
u1
i1=0

u2
h21 
h22
u1
i1 u2=0
i2
i1
i2

u2
u2=0
i1=0
impedancja wejściowa
współczynnik sprzężenia
współczynnik wzmocnienia
prądowego
admitancja wyjściowa
129
Parametry hmn (a tym samym właściwości
tranzystora) zależą od:
- układu pracy tranzystora ( OE, OB, OC)
- punktu pracy tranzystora (tj. polaryzacji elektrod)
- częstotliwości sygnału zmiennego
- temperatury
Podsumowanie:
parametry h stosowane są w zakresie m.cz.
(liczby rzeczywiste)
parametry y stosowane są w zakresie w.cz.
130
Częstotliwości graniczne tranzystora
bipolarnego
Ze wzrostem częstotliwości sygnału maleje
wzmocnienie prądowe. Na drodze E-C sygnał
prądu zmiennego ulega opóźnieniu i
osłabieniu
tcałk=tEB + tB + tCB
opóźnienie w
warstwie
zaporowej E-B
opóźnienie
w bazie
opóźnienie w
warstwie
zaporowej B-C
Dominujący wpływ opóźnienia w bazie (tB)
krótka baza i tr. dryftowy
131
1.
f – częstotliwość w ukł. OB., przy której wartość współcz.
wzmocnienia prąd. 0 dla prądu stałego maleje do wartości
0
2.
f – częstotliwość w ukł. OE., przy której wartość
2
współczynnika wzmocnienia prąd. 0 dla prądu stałego
maleje do wartości
0
2
3.
f1 – częstotliwość, przy której wartość współczynnika
wzmocnienia prądowego w układzie OE maleje do 1
4.
fT – ekstrapolacja części opadającej wykresu (f) o
stałym nachyleniu do przecięcia z prostą =1
5.
fmax – częstotliwość niezależna od układu pracy, przy
której wzmocnienie mocy maleje do 1
132

0
0
2
1
f
fT f1 fmax
f
f<<fT<f1<f<fmax
133
Szum – nakładające się na sygnał fluktuacje
prądów, napięć powodowane zjawiskami
zachodzącymi w każdym przyrządzie
elektronicznym
Składowe szumów:
Szum cieplny – wynika z chaotycznego ruchu cieplnego nośników
prądu – szum biały (gęstość widmowa mocy nie
zależy od częstotliwości)
dP
 kT  const
df
134
Szum śrutowy – wynika z dyskretnej postaci
ładunków elektrycznych i
chaotycznego przebiegu zjawisk
rekombinacji i generacji (szum biały)
szum „1/f” – dominuje przy m.cz., związany ze
zjawiskiem pułapkowania nośników na
powierzchni pp.
135
Współczynnik szumów F – charakteryzuje wzrost stosunku
mocy szumów do mocy sygnału w wyniku przejścia sygnału
przez czwórnik.
P1
Psz1
Psz 2
Psz1
F
P2
P1
1 Psz 2
F
k Psz1
tranzystor
P2
Psz2
P1, P2 – moc sygnału odpowiednio na
wejściu i wyjściu czwórnika
Psz1, Psz2 – moc szumów odpowiednio na
wejściu i wyjściu czwórnika
136
Psz 2
Psz1
F
P2
P1
1 Psz 2
F
k Psz1
FdB=10 log F
F [dB]
10
5
spadek
wzmocnienia
1/f
0
102
104
106
108 f [Hz]
Szumy są szczególnie istotnym parametrem tranzystora przy
wzmacnianiu słabych sygnałów (a więc m.in.. w zakresie w.cz. i
b.w.cz.
137
polowe
- oddziaływanie polem elektrycznym
na konduktancję kanału w pp.
stanowiącym wówczas rezystor
nieliniowy
unipolarne - w przewodnictwie uczestniczy tylko
jeden typ nośników - większościowe
Skrót FET – Field Effect Transistor
138
Sposoby wytwarzania pola elektrycznego w pp. –
rodzaj tranzystora
1. Tranzystor złączowy JFET – Junction FET Spolaryzowane
zaporowo złącze
a) złącze p-n (tranzystor PN FET)
b) złącze me-s (tranzystor MESFET)
2. Tranzystor z izolowaną bramką IG FET (Insulated Gate
FET) Struktura M – I –S (Metal –Insulator –Semicond.)
a) tranzystor MIS FET (MOS FET)
b) tranzystor cienkowarstwowy TFT (Thin Film
Transistor)
139
z
2a
–
+D
S (źródło)
(dren)
L
Konduktancja GDSo
kanału

1
2az
2az

n 
e n N d
RK 0
L
L
Prąd elektronowy ID=GDSo·UDS
140
Zasada działania tranzystora PN FET
warstwa
zubożona
G
S
p
D
n
p
UGS+
G
–
– +
UDS
UDS >0
UGS  0
ID daje spadek potencjału na rezystancji kanału i różnicuje polaryzację
GS, różnicując grubość warstwy zubożonej
141
n+
G
S
n
D
Symbole graficzne
tranzystorów PN FET
n+
p
D
D
„p”
G
G
S
tranzystor z
kanałem „n”
możliwe układy pracy OS, OG OD
najczęściej OS
S
tranzystor z
kanałem „p”
142
ID
UDS=5V
ID
UGS=0
I
UGS=-0,5
UGS=-1,0
UGS= -2,0
Up
UGS[V]
III
II
-1
ch-ka przejściowa
5
UDS[V]
ch-ka wyjściowa
I zakres triodowy (liniowy)
II zakres pentodowy (nasycenia)
III zakres przebicia
Tranzystory unipolarne - tylko dwie charakterystyki
!!!
143
Inercja przy szybkich zmianach polaryzacji to rezultat:
a) ładowania warstwy zaporowej złącza bramka-kanał
b) skończonego czasu przelotu nośników w kanale
G
S
D
n+
n C
G-S
n+
p
CG-D
CG-K
144
Praca z małymi sygnałami (liniowa)
m.cz. - parametry dla zakresu nasycenia
konduktancja wy
g ds 
konduktancja
przejściowa
(transkonduktancja)
I D
U DS
gm 
b. mała wartość 0
I D
U GS
w.cz. – parametry rozłożone
145
- moc admisyjna
- rezystancja we
- transkonduktancja gm
k. 1W...k. 10W
k. 10 M...k. 1G
k.1...kilkunastu mA/V
146
Tranzystory polowe ze złączem
Schottky’ego MESFET
Przeznaczone do pracy przede wszystkim w zakresie
b.w.cz. (mikrofalowym)
S
G
„n+”
D
„n+”
„n”
podłoże GaAs
(półizolacyjny)
Bramka metalowa (G) – złącze m-s nieliniowe
Źródło i dren (S i D) - złącza m-s liniowe (omowe)
Napięciem bramki reguluje się grubość warstwy
zubożonej, a więc zmienia się konduktancja
kanału „n” między bramką a podłożem.
147
ID
UDS=5V
Up
UGS[V]
-1
ID
UGS=0
UGS=-0,5
UGS=-1,0
UGS= -2,0
5
UDS[V]
Parametry
szumy 2...4 dB przy 2...10 GHz
moc 1...2W przy 8...10 GHz
transkonduktancja gm 20...100mS
148
Stacjonarny ładunek na powierzchni półprzewodnika realizowany w
układzie
metal-izolator -półprzewodnik
Struktura MIS dla napięcia UGS=0
bramka metalowa (M)
izolator (I)
pp „n” (S)
149
Zubożenie (UGS<0)
Elektrony odpychane są w głąb pp. (obszar
przypowierzchniowy zubożony w elektrony)
150
G
Obszar „p”
UGS<<0
–
+
_
+
_
+
_
+
_
+
_
+
_
+
_
+
_
+
_
+
_
Obszar „n”
+
W warstwie przypowierzchniowej nastąpiła przewaga dziur nad
elektronami –zjawisko inwersji (zmiana typu przewodnictwa)
151
Akumulacja (UGS>0)
G
S
obszar „n+”
UGS>0
obszar „n”
Warstwa przypowierzchniowa wzbogaciła się o dodatkowe
elektrony
152
Tranzystor z kanałem
indukowanym
G
D
S
n+
n+
p
Przy braku polaryzacji bramki nie ma możliwości
przepływu prądu (polaryzacja zap. jednego ze
złącz p-n+)
153
Tranzystor z kanałem
indukowanym
Tranzystor z kanałem indukowanym typu „n”
kanał indukowany
G(+)
D(+)
S(-)
n+
n+
p
Przy polaryzacji elektrod jak na rysunku w warstwie
przypowierzchniowej półprzewodnika indukuje się kanał „n”
(inwersja), możliwy jest przepływ prądu.
154
Tranzystor MOS FET z kanałem
wbudowanym
kanał wbudowany
„n”
Przy braku polaryzacji bramki (G) możliwy jest przepływ
prądu.
155
Tranzystor MOS FET z kanałem
wbudowanym
Przy polaryzacji bramki napięciem ujemnym
UGS<0 kanał zwęża się.
156
Gdy izolatorem jest SiO2 (b. często)to tranzystor MOS FET
Systematyka tranzystorów:
A) z kanałem typu p
a) z kanałem indukowanym („normalnie wyłączony” lub
„pracujący ze wzbogacaniem”),
b) z kanałem wbudowanym („normalnie załączony” lub
„pracujący ze zubożaniem”)
B) z kanałem typu n
a) z kanałem indukowanym („normalnie wyłączony” lub
„pracujący ze wzbogacaniem”),\
b) z kanałem wbudowanym („normalnie załączony” lub
„pracujący ze zubożaniem”)
157
Podstawowy parametr tranzystorów MOS FET to napięcie progowe UT
napięcie progowe – napięcie UGS, przy którym tranzystor przechodzi
ze stanu nieprzewodzenia w stan przewodzenia.
Symbole graficzne i
charakterystyki statyczne
tranzystorów MISFET
158
Praca dynamiczna nieliniowa
Inercja przy szybkich zmianach polaryzacji to rezultat:
a) ładowania i rozładowania pojemności CS-G, CG-P, CD-G
b) skończonego czasu przelotu nośników w kanale
CG-S pojem. źródło-bramka
CG-D pojem. dren – bramka
CG-K pojem bramka – podłoże (kanał)
159
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
napięcie progowe UT (3..5V)
rezystancja wejściowa (~1012...1013) Tera 
napięcie przebicia UDS
rezystancja S-D przy IDmax (tr. włączony)
rezystancja S-D przy ID=0 (tr. wyłączony)
moc maksymalna
szumy ok.. 20 dB
transkonduktancja gm
5...30mS dla tr. małej mocy
ok..10A/V dla tr. dużej mocy
160
Tranzystory cienkowarstwowe
Szkło
161
Układem scalonym (US, IC (ang.)) nazywamy układ złożony z
niepodzielnych ale wyróżnialnych przestrzennie elementów.
Układy z elem.
dyskretnych
o różnych
kształtach
Układy
scalone
Układy
funkcjonalne
o jednak.kształtach
(mikromoduły)
cienkowarstwowe
warstwowe
grubowarstwowe
monolityczne (pp)
bipolarne
MIS (MOS)
bi-MOS
162
Układy warstwowe realizowane są jako hybrydowe
- grubowarstwowe
- cienkowarstwowe
Układy scalone grubowarstwowe
Na podłoże ceramiczne nanosi się metodą sitodruku
(ok..104 oczek/cm2) półpłynne pasty rezystywne,
przewodzące lub dielektryczne - suszenie i wypalanie
(1000oC) – szkliwienie.
Technologia tania ale dość znaczny rozrzut parametrów,
pewna niestabilność parametrów w czasie-zastosowanie
w sprzęcie powszechnego użytku.
163
Układy scalone cienkowarstwowe
Wytwarzane w aparaturze próżniowej. Na izolacyjne
podłoża nanosi się cienkie (ok.. 0,1m) warstwy
rezystywne (NiCr)- rezystory, przewodzące (Au,
Al.) – ścieżki, pola kontaktowe, dielektryczne
(SiO2).
164
pola kontaktowe
możliwość doregulowywania
rezystancji przez np. nacinanie
laserowe lub elektroiskrowe.
warstwa
rezystywna
struktura: me-izolator - me
okładki
metalowe
kondensator
wartości: 10 pF...10nF
izolator
Technologia bardziej precyzyjna, ale droższa- zastosowanie w
sprzęcie profesjonalnym
165
Na płytce Si lub GaAs
każdy „prostokąt” to IC
(chip)
u
z
x
Każdy układ scalony
składa się z
pojedynczych
elementów pp.
y
166
Cel:
W podłożu Si lub GaAs należy wytworzyć wzajemnie
izolowane (i odpowiednio połączone) elementy
czynne i bierne.
Zasada jednoczesności wykonywania obszarów
różnych elementów (np. emitery tranzystorów,
rezystory o małej rezystancji itd..)
Typowe podłoże dla układów bipolarnych Si typu „p”
167
Izolacja elementów
Izolacja złączowa
złącze p-n
p
n
p
p
n
pF
G
podłoże „p”
p
Rp
podłoże „p”
168
SiO2
n
n
poly Si
n
podłoże
metoda droga, ale b. dobra izolacja (nap. przebicia ok. 1000V)
 = ok. 100
169
Realizacja tranzystorów
Tranzystory bipolarne
Różnice w stosunku do tranzystora dyskretnego:
- wyprowadzenie kolektora na powierzchnię czołową
- ulokowany na izolowanej wyspie,
Tranzystor n-p-n (typowy)
n
p
n
p
start
E
wytworzenie kolektora
p
n
p
p
wytworzenie bazy
n+
n
p (podłoże)
p
B
K
n+
p
wytworzenie emitera
p
170
Realizacja tranzystorów
E
B
C
p
p
n
p
E
C
p
p
n
p
tranzystor
wertykalny
(podłożowy)
 = 0,5...5
B
p
tranzystor boczny
(lateralny)
 = ok. 1.. 20
Tranzystor unipolarny MOS
S
G
T1
D
p (podłoże)
S
G
D
T2
Nie wymaga wyspy izolacyjnej – duża gęstość upakowania
NMOS Up= -1,5..-2V (PMOS –3,5..-5V)
172
G
S
G
D
S
p+
p+
n+
n
PMOS
p
D
n+
NMOS
Układ CMOS – większa szybkość działania, pobór mocy tylko przy
przełączaniu (układy cyfrowe), więcej miejsca niż
NMOS
Realizacja diod
Wykorzystuje się struktury tranzystora np.
E-B
C-B
K
K
A
A
K
K
A
A
IC=0 U
przeb 2..10 V
IE=0
Uprzeb 10..100 V
174
rezystor bazowy (wykonywany w czasie realizacji baz
tranzystora n-p-n)
1
2
p
n
100 <R<20 k
p
1
p-n
n-p
R(p)
2
C(p-n)
R(n)
schemat zastępczy
rezystora bazowego
C(n-p)
R(p)
175
b) rezystor emiterowy
1
2
n+
p
n
R<100
p
rezystor bazowy ściśnięty (zgniatany)
1
2
p
n+
R=k·10 k
n
p
176
rezystor regulowany – (PN FET)
S
G
p
n
+
n
D
n
+
p (podłoże)
ID
|UG|
ID
UDS
|UG|
wykorzystuje się liniowy
zakres charakterystyki
R
+1
R
UDS
2
177
Wykorzystuje się obszary tranzystora
kondensator złączowy niesymetryczny
1
2
Co
p
n
p
U1-2
ważna polaryzacja elektrod !!
złącze C-B duże nap. przebicia >10V
złącze E-B niskie nap. przebicia <10V
178
1
2
p
p
C
n
U1-2
p
Polaryzacja elektrod nieistotna
Kondensator MOS
2
1
n+
n
p
179
W US elementów indukcyjnych w zasadzie nie realizuje się
(eliminacja na drodze projektowej). Jeśli konieczne użycie to:
- cewki nH – spirale powierzchniowe (zakres w.cz.)
- wykorzystanie indukcyjnych właściwości
elementów czynnych
- dołącza się cewki z zewnątrz (układy hybrydowe).
180
Realizacja połączeń elementów
Nanosi się ścieżki metaliczne na powierzchni Si.
Skrzyżowania:
a) metalizacja wielopoziomowa (rozdzielanie SiO2)
b) skrzyżowania „podziemne”
n+
p
181
Inne zasady projektowania niż dla
układów dyskretnych:
-
obecność pojemności pasożytniczych (nie można
poprawić)
znaczne (jednokierunkowe) rozrzuty parametrów
elementów składowych
ograniczone wartości R i C (dyskretne dowolne)
znaczne pow. zajmowane przez elementy bierne (R, C) –
tępić elementy bierne!
182
Układy cyfrowe – układy pracujące dwustanowo (jest napięcie na
wyjściu lub go nie ma). Stany te odpowiadają
dwu wartościom logicznym 0 i 1.
· dodatnia - 1 (stan wysoki) – odpowiada istnieniu
napięcia na wyjściu;
0 (stan niski) brak napięcia na wyjściu
·
Oznaczenia:
UH – stan wysoki
UL – stan niski
Układy cyfrowe zawierają wiele elementów powtarzalnych, są
więc łatwe do scalania, nie mają tak dużych wymagań odnośnie
tolerancji elementów jak układy scalone analogowe.
183
Podstawowe parametry
cyfrowych układów scalonych
•
czas propagacji (szybkość działania)
•
pobór mocy,
•
odporność na zakłócenia,
•
zgodność łączeniowa i obciążalność
Podstawowe parametry
cyfrowych układów scalonych
Czas propagacji
Uwe
UH
1 – czas propagacji przy
przejściu ze stanu
wysokiego do niskiego
UL
t
Uwy
UH
UL
1
2
t
2 – czas propagacji przy
przejściu ze stanu
niskiego w stan wysoki.
czas propagacji   
1   2
2
185
Podstawowe parametry
cyfrowych układów scalonych
P = Ucc*Icc
P = PL+PH
PL – moc pobierana w stanie niskim
PH – moc pobierana w stanie wysokim
W niektórych układach (CMOS) moc pobierana przez układ w
chwili przełączenia jest większa niż w stanie ustalonym – wtedy:
T
U
P  cc  Icc (t)dt  Ucc  Icc śr
T 0
T – okres przełączania
1
T
– częstotliwość przełączania
186
Podstawowe parametry
cyfrowych układów scalonych
Odporność na zakłócenia
Zakłócenia mogą spowodować krótkotrwałe zmiany stanu
logicznego na wyjściu układu.
Miarą odporności układu na zakłócenia są marginesy
zakłóceń:
- margines zakłóceń stanu niskiego MZL
- margines zakłóceń stanu wysokiego MZH
MZL= UIL- U0L
MZH= U0H- UIH
187
Podstawowe parametry
cyfrowych układów scalonych
Uwy
U0H
Dla zakresu nap. wejściowych
0UIL
UILUIH
>UIH
U0L
UIL
UIH
stan 1 na wyjściu
przełączenie
stan 0 na wyjściu
Uwe
UIL – max. dopuszczalne nap. we na poziomie niskim, gdy jeszcze nie
nastąpi przełączenie.
UIH – min. nap. wejściowe na poziomie wysokim, gdy jeszcze nie
nastąpi przełączenie
U0H – nap. wy odpowiadające stanowi wysokiemu
U0L – nap. wy odpowiadające stanowi niskiemu
188
Typowe wartości dla TTL
MZL =0,7-0,2 = 0,5V
Gdy amplituda zakłóceń <0,5V to 1 na wy,
MZH =5-1,9 =3,1V
Gdy amplituda zakłóceń<3,1V to 0 na wy
Amplituda logiczna = U0H-U0L dla TTL  4,8V
189
Zgodność łączeniowa i obciążalność
Układy A i B są zgodne łączeniowo (kompatybilne), gdy
bezpośrednie połączenie wyjścia A z wejściem B zapewnia
poprawną elektrycznie współpracę obydwu układów.
Cyfrowe układy scalone projektowane są do współpracy z
układami tej samej serii. Aby móc określić możliwość
współpracy tych układów wprowadzono pojęcie
znormalizowanego obciążenia.
Znormalizowane obciążenie – miara liczby wejść układów tej
samej serii, które można przyłączyć do jednego wyjścia.
Przykład – dla TTL obciążalność = 10
190
Bramki proste (realizują proste
funkcje logiczne)
AND (i) – koniunkcja (iloczyn logiczny)
OR (lub) – alternatywa (suma logiczna)
NOT (nie) – negacja
Bramka AND
elektryczny schemat
zastępczy
we
A
B
zwarcie – 1
rozwarcie - 0
Ro
Tabela prawdy
wy
A
B
wy
1
1
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
191
elektryczny schemat zastępczy
Tabela prawdy
B
A
zwarcie – 1
rozwarcie - 0
wy
elektromagnes
A
B
wy
1
0
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
Tabela prawdy
Bramka NOT (negacja)
w
e
A
Ro
A
wy
0
1
1
0
192
OR + NOT = NOR
AND + NOT = NAND
Tabela prawdy
A
B
NAND
OR
1
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
1
Schemat zastępczy bramki NOR
w
eA
B
Ro
wy
193
A. Bipolarne np.:
TTL
IIL (I2L)
ECL
(transistor-transistor-logic)
z tranzystorami
(integrated injection logic)
nasyconymi
(emiter coupled logic)
B. MIS (MOS) np.:
PMOS
(konwencjonalne, tanie)
NMOS
(nowsze, szybsze )
CMOS
( mały pobór mocy, szybki, odporne na zakłócenia)
CCD (charge coupled devices) –układy cyfrowe i analogowe
(skanery, cyfrowe aparaty fotograficzne, kamery
cyfrowe)
Podstawowym elementem każdej bramki jest inwerter
194
Inwerterem jest tranzystor pracujący w układzie OE
UCC
Uwe
UCE=Uwy
Uwy
UoH
UoL
UIL 2V
gdy we - 0 to UCE = UCC
gdy we - 1 to UCE = UCEnas
UIH
Uwe
Typowe wartości dla bramki
TTL
UOH=5V; UOL=0,2V
Amplituda logiczna = 4,8V
MZH = 0,5V
MZL = 3,5V
195
Na wejściu bramki jest wieloemiterowy tranzystor (możliwość
realizacji tylko w US)
Typowe parametry bramek TTL:
czas propagacji
33ns..17ns
pobór mocy
1...23mW
196
Bramka TTLS
Złącze C-B zbocznikowane diodą Schottkye’go
(tranzystor nie wchodzi w stan nasycenia)
C
E
n+
B
p
n
p
n+
Podstawowe parametry:
Czas propagacji ok.. 3ns
Pobór mocy
ok.. 19mW
197
Bramka ECL
Bramka NOR
Dwa wyjścia
Odwracające i nieodwracajace
fazę
Typowe parametry bramek ECL:
czas propagacji
1..5ns
pobór mocy
30..60mW
198
+UE
we
C1 C2 C3
n-p-n
p-n-p
Podstawowe parametry bramki I2L
czas propagacji 10..30ns
pobór mocy
50 W
amplituda logiczna 0,7V
199
Bramki logiczne MOS
W układach MOS nie stosuje się obciążenia
rezystancyjnego, gdyż wartości R>100k trudno
zrealizować w US (miejsce).
Jako obciążenie stosuje się drugi tranzystor
MOS.
Inwerter w układach MOS składa się z dwu
tranzystorów:
Tranzystora TD - sterującego
i
Tranzystora TL - obciążenie
200
Warianty połączeń
TD
TL:
PEMOS – PEMOS
PEMOS – PDMOS
NEMOS – NEMOS
NEMOS – NDMOS
CMOS
tranzystor TL
wy
tranzystor TD
PEMOS – PDMOS
201
Inwerter komplementarny CMOS
Układy CMOS – TD - tranzystor z kanałem indukowanym
typu „n ”
TL - tranzystor z kanałem indukowanym
typu „p”
USS
Gdy Uwe = Uss to:
TD przewodzi, TL nieprzewodzi,
0 logiczne na wy
TL
we
wy
CL
TD
Gdy Uwe = 0 to:
TD nieprzewodzi, TL przewodzi,
1 logiczna na wy
202
Inwerter komplementarny CMOS
Moc pobierana w stanie ustalonym PS -bardzo
mała (ok.0,05W).
Pobierana moc P rośnie z częstotliwością
przełączania f.
P=PS + CL·U2SS· f
203
Zalety bramek MOS
• Uproszczona budowa układów (tylko tranzystory MOS)
• Mniejsza liczba procesów technologicznych
• Mały pobór mocy w warunkach pracy statycznej
Inwertery - podsumowanie
Szybkość działania – max. ECL
Pobór mocy
– min CMOS i I2L
Marginesy zakłóceń – max. MOS (CMOS!)
204
Funktor NAND – szeregowe połączenie n tranzystorów
sterowanych (n wejść) i tranzystora obciążającego
TL
UDD
wy
n
nwe
2
1
0 logiczne tylko gdy wszystkie
tranzystory TD przewodzą.
Liczba tranzystorów TD <3 bo
napięcie wyjściowe w stanie 0 to
suma napięć na poszczególnych
tranzystorach.
205
Funktor NOR – równoległe połączenie n tranzystorów
sterowanych TD (bramka n-wejściowa). Liczba
tranzystorów ograniczona do 3, bo rośnie
pojemność wyjściowa i maleje f pracy
UDD
TL
wy
1
TD1
2
TD2
3
TD3
n
TDn
206
Złożone układy logiczne – układy składające się z bramek
prostych
Dwie grupy układów:
- układy kombinacyjne
- układy sekwencyjne
Układy kombinacyjne – układy nieregeneracyjne tzn. stany
logiczne na wy układu zależą tylko od bieżących stanów
logicznych na we układu; zbudowane na bazie bramek
logicznych (np.. procesory).
Układy sekwencyjne – układy regeneracyjne tzn. stany
logiczne na wy zależą nie tylko od bieżących stanów
logicznych na we układu, lecz także od stanów
będących uprzednio; zbudowane na bazie
przerzutników (np.. pamięci).
207
Pamięci półprzewodnikowe – cyfrowe układy
scalone przechowujące informacje w
systemie binarnym. Najprostszym
układem i podstawową komórką jest
przerzutnik – pamięć jednobitowa.
Złożone układy pamięciowe mogą zawierać b.
dużą liczbę takich komórek, ułożonych w
matrycę. Ponadto pamięci posiadają układy
peryferyjne i buforowe, umożliwiające
współpracę z innymi układami systemu
cyfrowego. Pamięci pp. to dominująca grupa w
produkcji US.
208
Klasyfikacja pamięci
półprzewodnikowych
Różne kryteria podziału:
Sposób przechowywania informacji
- o dostępie szeregowym- złożone z
rejestrów przesuwnych np.FIFO (First In
First Out),
- o dostępie swobodnym (RAM),
- stałe (ROM)
209
Ze względu na trwałość przechowywanej informacji:
- ulotne (informacja kasowana jest po wyłączeniu
zasilania) – RAM
- nieulotne (informacja jest zachowywana po wyłączeniu
zasilania) - ROM
Ze względu na typ użytych tranzystorów
- bipolarne
- unipolarne
Ze względu na sposób zasilania
- statyczne ( komórka pamięci to przerzutnik
zbudowany z tranzystorów bipolarnych lub MOS)
- dynamiczne (komórka pamięci to tranzystor
MOS i mikrokondensator o wartości ok.. 50·10-15F
210
Klasyfikacja pamięci
półprzewodnikowych
ROM
Pamięci
pp
RAM
MASK ROM, MROM
(MOS)
PROM
(bip., MOS)
EPROM
(MOS)
EEPROM
(MOS)
Flash EEPROM (MOS)
DRAM (dynamiczne)
SRAM (statyczne)
FIFO
211
Podstawowe parametry pamięci
- pojemność (ilość komórek) wyrażona w bitach (b), bajtach
(B), kilobitach (Kb), kilobajtach (KB) itd..
1 bajt = 8 bitów
1 Kbajt = 210 bajtów=1024 bajtów
- organizacja zapisu i odczytu może odbywać się
pojedynczymi bitami lub słowami (każde słowo może
składać się z np.. 8, 16 itd. bitów)
- adres to liczba w postaci binarnej, której
przyporządkowana jest dana komórka pamięci
- czas dostępu mierzony jest od chwili podania adresu do
chwili otrzymania informacji.
212
Pamięć składa się z dużej liczby komórek (nawet setek
milionów) tworzących matrycę. Każda z tych komórek to
struktura tranzystora MOS z kanałem indukowanym.
linia bitów (S)
linia słów
(G) linia bitów
(D)
n+
n+
p
zmiana nazw elektrod !!!
D
linia bitów
(BL)
linia słów
(WL)
G
S
Gdy tranzystor przewodzi
to
Gdy tranzystor nie przewodzi to
1 logiczna
0 logiczne
213
Przewodzenie lub nieprzewodzenie tranzystora
zależy od tego czy UT tranzystora jest mniejsze czy
większe od napięcia w linii słów.
Napięcie UT zależy z kolei od rodzaju i grubości
dielektryka w prostej strukturze MOS (zwykły
tranzystor MOS) lub od tzw. stanu ładunkowego w
bardziej rozbudowanych strukturach (np..EPROM,
EEPROM).
214
Dwa rodzaje pamięci ROM:
a) bez możliwości modyfikacji zapisanej informacji (MASKROM,
PROM),
b) z możliwością modyfikacji zapisanej informacji (np. EPROM,
EEPROM, Flash EEPROM))
Ad. a
1
0
0
0
1
U
UT niskie, tr. przewodzi
(U>UT)
W
L
UT wysokie, tr. nie przewodzi
(U<UT)
215
Pamięć PROM – programowanie wykonywane jest przez
użytkownika (ale tylko jeden raz - OTP)
Ad.b
Przekrój komórki pamięci EPROM (Erasable ROM).
Dodatkowa elektroda – bramka pływająca (swobodna), „otoczona”
dielektrykiem.
S
bramka
SiOsterująca
2
G
źródło n+
bramka
pływająca
D
dren n+
p
216
bramka
0V
sterująca
SiO2
źródło
n+
25V
e
p
bramka
pływająca
n+
16
V
dren
Gdy potencjały jak na rysunku to:
- elektrony tunelują do bramki pływającej,
- elektrony nie mogą opuścić bramki pływającej, bo otoczona
jest dielektrykiem,
- wzrost UT o wartość UT= QFG/C
QFG – przyrost ładunku bramki pływającej
C – pojemność bramka sterująca-bramka pływająca
217
bramka
sterująca
0V
promieniowanie
UV
źródło
bramka 0V
pływająca
0V
SiO2
e
n+
n+
dren
p
UV dostarcza energii elektronom, które przechodzą
do drenu i elektrody sterującej, UT maleje.
218
Odczyt informacji
napięcie odczytu między UT a UT + UT
219
G
S
bramka
sterująca
D
bramka
pływająca
n+ n+
n+
n+
p
Dzięki cieńszemu tlenkowi potrzeba mniejszej energii do
kasowania (możliwość kasowania elektrycznego).
220
Pamięć Flash EEPROM
Budowa pamięci Flash EEPROM jest b. podobna do
EEPROM. Podstawowa różnica to b. cienki tlenek.
Czas zapisu odczytu jest krótki.
Zapis i odczyt całymi słowami (komórka pamięci 1tranzystorowa)
(w EEPROM pojedynczymi bitami)
221
Pamięć o dostępie swobodnym – dostęp do
każdej komórki pamięci jednakowo
łatwy i odbywa się w jednakowym
czasie.
Dwa rodzaje pamięci:
- pamięć S-RAM (pamięć statyczna)
- pamięć DRAM (pamięć dynamiczna)
222
Pamięć S-RAM
Przerzutnik
przewodzi lewy lub prawy
tranzystor
gdy przewodzi np.. lewy
tranzystor to odczyt 1
logicznej,
gdy prawy to odczyt 0
logicznego
Wada: mały stopień scalenia,
Zalety: pamięć szybka (<10ns), proste zasilanie
Zastosowanie – pamięć cache
223
BL WL
SiO2
n+
p
WL
n+
C
tranzystor MOS C
(MOS)
Informacja – ładunek zgromadzony w kondensatorze
Zapis – podanie odpowiedniego potencjału na linię bitu (BL) i
włączenie tranzystora dodatnim impulsem podanym
na linię słów powoduje przepływ prądu przez
tranzystor i naładowanie kondensatora
Odczyt – przepływ prądu z kondensatora do linii bitów. Odczyt
wymazuje informację.
224
komórka
pamięci
Kolejne fazy odczytu
informacji z danej komórki
pamięci – proces
stosunkowo długi.
Zalety- duży stopień scalenia (tr. MOS), niska cena,
Wady – stosunkowo wolne, skomplikowane zasilanie
(odświeżanie ładunku w kondensatorze)
225
U= -5V
U= -10V
U= -5V
n
obszar zubożony
-5V -10V
n
++++
-5V
-5V
n
-10V
-15V
++++
Zastosowanie – skanery, cyfrowe aparaty fotograficzne i
kamery wideo.
226
W analogowych (liniowych) układach
scalonych występują sygnały ciągłe.
sygnał cyfrowy
sygnał analogowy
Składają się one z pewnych wyspecjalizowanych
bloków funkcyjnych, a nie z powtarzalnych
„komórek” jak to było w układach cyfrowych.
Większość układów analogowych realizowana jest
w skali SSI i MSI.
227
Systematyka
A. Profesjonalne np.
- wzmacniacze operacyjne
- komparatory,
- stabilizatory,
- przetworniki C/A i A/C
B. Powszechnego użytku np.
- radiowo-telewizyjne,
- motoryzacyjne,
- magnetowidowe
228
Struktura analogowych układów
scalonych
Podstawowe bloki funkcjonalne
1. Układy polaryzacji i dopasowania poziomu
napięć
a) układ polaryzacji napięciowej i prądowej
b) układ przesuwający poziom napięcia
2. Układy obróbki sygnału
a) wejście – doprowadzenie sygnału
b) wzmacniacz różnicowy
c) obciążenie
d) stopień wyjściowy
229
Układy polaryzacji i
dopasowania poziomu napięć
Zadaniem układu polaryzacji jest ustalenie
punktów pracy poszczególnych przyrządów
np..tranzystorów, diod.
I stopień
II stopień
UCC
Niezależna polaryzacja
każdego tranzystora w
układzie dyskretnym
(duże C i R)
230
Układy polaryzacji i
dopasowania poziomu napięć
W US - utrudniona realizacja dużych C i R
inne sposoby zasilania np.
Układ Widlara
U CC  U D
R
I  I C  2 I B więc
I
UCC
I
IC
T1
IB
IC
R
IB
T2
UD
IC  0 I B
0
 0 U CC  U D
IC  I


2  0 2  0
R
  2 U CC  U D
IC 
U CC
 f (0 )
R
Układ ten stosuje się gdy IC nie jest zbyt mały np. przy IC=5A dla
UCC=5V potrzeba R=1M. Niewykonalne w US.
231
Wzmacniacz operacyjny
Wzmacniacz operacyjny – wzmacniacz o b. dużym
wzmocnieniu (>1000V/V),
bezpośrednich sprzężeniach,
przeznaczony do pracy z zewnętrznym
sprzężeniem zwrotnym.
+Uc
wejście
odwracające
fazę
wyjście
wejście
nieodwracające
fazę
-Uc
Zasilanie symetryczne !
232
Wzmacniacz operacyjny
Układ wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem
zwrotnym
R
Uw
e
Uw
y
Wielkość sprzężenia zwrotnego (wartość R) ma
zasadniczy wpływ przede wszystkim na
wzmocnienie napięciowe (ku) i maksymalną
częstotliwość pracy (fgr) wzmacniacza.
233
Charakterystyka częstotliwościowa
wzmacniacza operacyjnego
R
ku
fgr1
Gdy R
to ku
fgr2 fgr3
f
fgr
234
R1
Rf
wzmacniacz odwracający fazę
Uwe
U wy  
Rf
R1
U we
wzmacniacz nieodwracający fazę
R1
Rf
U wy 
R f  R1
R1
U we
Uwe
235
Wzmacniacz logarytmiczny
R1
Uwe
Uwy ~ ln (Uwe/R1)
Wzmacniacz sumujący
Rf
R1
–
+
R2
Uwe1
Uwe2
Rp
Uwy
U wy
 U we1 U we 2 

  R f 

R2 
 R1
236
Wzmacniacz różniczkujący
Rf
C
–
Uwe
+
Rp
U wy
Uwy
dU we
 R f C
dt
237
Wzmacniacz operacyjny
C
R1
–
Uwe
+
Rp
Uwy
U wy
1

U we dt

R1C
Generator przebiegu prostokątnego
R3
–
+
C
R1
1
f ~
C
R2
238
Komparator napięcia – układ porównujący
napięcie wejściowe z napięciem odniesienia. –
układ przetwarzający sygnał analogowy na
cyfrowy.
Stabilizator napięcia - układ utrzymujący stałą
wartość napięcia niezależnie od wahań napięcia
wejściowego i prądu obciążenia
239
Stabilizator napięcia
• stabilizatory nastawne (uniwersalne) o
regulowanej stabilizowanej wielkości napięcia
wyjściowego np.2...4V
• stabilizatory nienastawne (lokalne) o jednej
wartości napięcia stabilizowanego, regulowanej
w wąskim zakresie.
240
Stabilizator napięcia
Podstawowe parametry:
• zakres napięć wejściowych
(np.+8,5...+50V)
• zakres napięć wyjściowych (np..
+4,5...+40V)
• napięcie różnicowe we-wy tj.
minimalna wartość różnicy napięć
na we i wy stabilizatora, przy której
działa on jeszcze poprawnie (np.3V)
241
•
współczynnik stabilizacji napięcia
U wy U we
U wy  U we
•
100%
%
(np. 0,06 % )
współczynnik stabilizacji obciążeniowej tj.
względna zmiana napięcia wyjściowego przy
zmianie prądu obciążenia od min. do max.
współczynnik tłumienia tętnień tj. iloraz między
szczytowych wartości napięcia tętnień (np.. 20mA)
na wyjściu i wejściu stabilizatora (np.. 0,01%)
• maksymalny prąd wyjściowy
•
242
Dwojaka postać informacji :
-cyfrowa,
- analogowa
Informacja analogowa – sygnał wyjściowy
proporcjonalny do sygnału wejściowego
Informacja cyfrowa – informacja w postaci
dyskretnej (jest sygnał lub nie ma sygnału)
243
Główne zalety cyfrowej postaci sygnału:
- duża odporność na zakłócenia i szumy
sygnał cyfrowy
zakłócenia
sygnał cyfrowy+zakłócenia
próg cyfrowy
sygnał cyfrowy odebrany
komparator
244
Przetworniki A/C i C/A
Podstawowe cechy charakterystyczne sygnału
analogowego:
- niemożliwość przechowywania różnych
typów danych na jednym rodzaju nośnika
245
- duża wrażliwość układów analogowych na rozrzut
parametrów elementów
- „odszumienie” sygnału analogowego bardzo trudne
- konwersja sygnału analogowego wymaga zastosowania
dodatkowych urządzeń (konwersja sprzętowa).
próbkowanie
sygnał
analogowy
A/C
H
sygnał
analogowy
kompresja
przetwarzanie
H
filtracja
C/A
H
H
dekompresja
246
Sygnały w przyrodzie mają charakter analogowy,
człowiek reaguje na sygnały analogowe. Sygnał
cyfrowy ulega przetworzeniu w mózgu człowieka
na sygnał analogowy.
Konwersję sygnału analogowego na cyfrowy i
cyfrowego na analogowy przeprowadza się
odpowiednio przy pomocy przetwornika
analogowo-cyfrowego A/C (ADC – Analog Digital
Converter) i cyfrowo-analogowego C/A (DAC –
Digital Analog Converter)
247
Przetworniki A/C i C/A
Przetwornik A/C (ADC – Analog Digital Converter)
przetwarza sygnał Analogowy na sygnał
Cyfrowy
Dwa etapy konwersji:
• próbkowanie
• kwantyzacja
Próbkowanie – badanie wartości sygnału co
pewien określony czas
Kwantyzacja – zamiana otrzymanych wartości
dyskretnych badanego sygnału na system
binarny
248
Próbkowanie
Un-1
Un
sygnał
próbkowany
Ts
t1
t2
.
tn
U1
U2
.
Un
Ts – czas próbkowania (zależy od
częstotliwości sygnału
podlegającego konwersji)
249
Próbkowanie
Uwe
sygnał analogowy
t
Uwy
t
Uwy
t
niska częstotliwość
próbkowania
wysoka częstotliwość
próbkowania
250
Zasada Nyquista
Szybkość próbkowania musi być dwa
razy większa od najwyższej
częstotliwości próbkowanego sygnału
Przykłady:
max. częstotliwość sygnału telefonicznego
4kHz – próbkowanie 8kHz (125s)
wieża Hi-Fi - max. częstotliwość sygnału
20kHz – próbkowanie 40kHz (44,1kHz)
sygnał wideo - max. częstotliwość 6MHz –
próbkowanie 12 MHz (83,3ns)
251
Kwantyzacja
Kwantyzacja – konwersja poziomu analogowego na
najbliższy skwantowany poziom
1111
1110
1101
1100
1011
1010
1001
1000
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000
1000
1101
0010
1110
252
Sygnał podzielony na 16 dyskretnych
poziomów (n=4 bity)
1111 – najwyższy poziom
0000 – najniższy poziom
Każdy poziom analogowy aproksymowany
najbliższym poziomem dyskretnym  błędy
kwantyzacji
Błąd kwantyzacji
1
 n 100%
2
253
Najprostsze przetworniki A/C to wzmacniacz
operacyjny i komparator.
Komparator napięcia – układ porównujący
napięcie wejściowe z napięciem odniesienia. –
układ przetwarzający sygnał analogowy na
cyfrowy.
+10
Uwe
wzmacniacz
operacyjny
Uwy
komparator
0
Uodniesienia
Uwy
-10
Uodniesienia
Uwe
254
Niedogodności wzmacniacza operacyjnego
jako komparatora:
-nietypowe napięcie wyjściowe (+15V lub –
15V)
-bardzo stroma charakterystyka
przejściowa (duża wrażliwość na
zakłócenia)
Pojedynczy komparator pełni funkcję
przetwornika jednobitowego.
255
źródło napięcia
odniesienia
1
2
Układ
logiczny
3
2n-1
2
wejście
analogowe
n
256
Sygnał wejściowy dostaje się równocześnie na n równolegle
połączonych wejść komparatorów.
Każdy z komparatorów ma inne napięcie odniesienia (dzielnik
rezystorowy).
Gdy Uwe>Uodniesienia to na wy 1 logiczna, gdy Uwe<Uodniesienia to na
wy 0 logiczne.
Częstotliwość próbkowania – setki MHz, mała
dokładność (10 bitów)
Przetwornik kompensacyjny – częstotliwość
próbkowania - k·10 kHz, duża dokładność
257
Uodn
I1
I2
R
2R
In
2n-1 R
1/2R
a1
a2
an
+
U0
Gdy klucz zamknięty to na we 1 logiczna
Gdy klucz otwarty to na we 0 logiczne
Napięcie na wyjściu proporcjonalne do ilości
„zamkniętych” kluczy
258
U0  
RU odn  a1 a2 a3
an 









n 1
2  R 2R 4R
2 R
n – ilość kluczy (bitów)
Pi – wartość danego bitu (0 lub 1)
Po konwersji C/A otrzymany sygnał ma postać
schodkową.
U
t
259
sygnał
cyfrowy
C/A
filtr
sygnał
analogowy
Filtr dolnoprzepustowy stosuje się aby pozbyć się
schodków.
sygnał
cyfrowy
C/A
U
f
sygnał
analogowy
R
Uwe
Uwy
C
1
f 
2RC
częstotliwość przy której
wzmocnienie spada o 3dB
260
Wprowadzenie
Optoelektronika to dział elektroniki
zajmujący się wzajemnym oddziaływaniem
energii promieniowania świetlnego i energii
elektrycznej, oraz wykorzystaniem tego
oddziaływania w systemach
informatycznych.
Zakres fal:
(UV)
0,15m...30m (IR)
(tj. 8eV...0,04 eV)
261
Potencjalne zastosowanie wiązki laserowej
262
Przykładowy tor światłowodowy
sygnał wy
akustyczny
sygnał we np..
akustyczny
przetwornik
akusto-elektryczny
przetwornik
elektro-optyczny
przetwornik elektroakustyczny
światłowód
wzmacniak
przetwornik optoelektroniczny
Podstawowe elementy i podzespoły techniki
światłowodowej to:
• nadajniki i odbiorniki optoelektroniczne
• światłowody i kable światłowodowe
• bierne i aktywne elementy sieci i urządzeń
światłowodowych
263
Są to urządzenia, które przetwarzają:
sygnał elektryczny  sygnał świetlny
sygnał świetlny  sygnał elektryczny
nadajniki
odbiorniki
Nadajniki to przede wszystkim –
elektroluminescencyjne diody LED oraz lasery pp
Odbiorniki to fotodetektory (np. diody PIN, diody
lawinowe) oraz cała gama układów przetwarzania
sygnału, modulacji i zasilania.
264
Elementy bierne - wykonane są z reguły na
bazie światłowodów włóknistych – złącza
światłowodowe, sprzęgacze, filtry optyczne
itd..
Elementy aktywne – wykorzystują wpływ
pola elektrycznego, magnetycznego,
temperatury, fali dźwiękowej na
właściwości optyczne materiałów (np. na
współczynnik załamania światła).
265
Przykładowe możliwości
zastosowań optoelektroniki
— zastosowania telekomunikacyjne o wysokiej
przepustowości
— wykorzystanie czujników światłowodowych w
metrologii, np. w automatyce
— komputerowe sieci optoelektroniczne (duża
odporność na zakłócenia)
— przekształcanie obrazów z zakresu widma
niewidzialnego na widmo widzialne
— mikroobróbka laserowa (nanoszenie warstw,
nacinanie struktur, doregulowywanie
rezystorów cienkowarstwowych)
— makroobróbka wiązką dużej mocy
266
Przykładowe możliwości
zastosowań optoelektroniki
— zastosowania medyczne (neurochirurgia,
chirurgia oka, chirurgia plastyczna)
— holograficzne techniki obserwacji obiektów
trudnodostępnych
— przetwarzanie energii słonecznej na
elektryczną
267
Światłowody
W światłowodach do transmisji danych
wykorzystywana jest wiązka światła i jej
całkowite odbicie wewnętrzne. Ze
względów technicznych używa się
światła o długościach fali świetlnej:
= 0,85 m
= 1,3 m
= 1,55 m
okna – dla tych długości fal
jest najmniejsze tłumienie
sygnału w światłowodach
kwarcowych
268
Wykorzystanie optoelektroniki do przekazu
informacji
O jakości przekazu decyduje „wskaźnik gęstości
mocy Q”
1
Q  2 P f 2
c
c – prędkość światła 3·108 m/s
P – moc generowanej fali [W]
f – częstotliwość fali [Hz]
269
Przykład
a) układ elektroniczny :
moc emitowanej fali 1W,
częstotliwość generowanej fali nośnej
1GHz  Q=103 W/m2
b) układ optoelektroniczny:
moc lasera ok. 10mW
częstotliwość fali świetlnej 300THz 
Q=1010W/m2
różnica 10 mln razy !!!
270
Przewaga linii optycznej nad klasyczną
 częstotliwość fali świetlnej ok. 100 GHz
(modulacja falą o częstotliwości >1 GHz)

mniejsze wymiary i masa kabla światłowodowego
niż kabla miedzianego (10kg Cu=1kg szkła)
 izolacja łączonych urządzeń (izolacja elektryczna)
 odporność na zakłócenia elektromagnetyczne
 brak pasożytniczych sprzężeń między przewodami
 małe straty (o wiele mniejsze niż w linii
elektrycznej)
271
Światłowodowy trakt w systemie optoelektronicznym
może mieć różną długość:
A. najkrótszy - w przyrządach optoelektronicznych
zwanych transoptorami (zawierają diodę
elektroluminescencyjną wytwarzającą światło pod
wpływem pobudzenia elektrycznego, warstwę
materiału przezroczystego dla światła (żywica lub
szkło) oraz fotodetektor na wy. Transoptor zapewnia
brak bezpośredniego sprzężenia we z wy (np.
modem )
272
B. Krótkie i bardzo krótkie trakty optyczne występują w elementach optyki zintegrowanej
(optoelektroniczne odpowiedniki układów
scalonych) – są to odcinki światłowodów
planarnych (paskowych).
C. długie i bardzo długie trakty optyczne - występują
w sieciach lokalnych i dalekosiężnych – od metrów
do tysięcy kilometrów.
273
Efektywność przekazu informacji wymaga:
— „dopasowania” źródła sygnału do
światłowodu tj. zapewnienia by możliwie
duża część energii świetlnej ze źródła
była przyjmowana przez światłowód i
podlegała w nim propagacji
— zapewnienia minimalnych strat w
światłowodzie i minimalnego rozmycia
sygnału (dyspersji).
— zapewnienia odpowiedniej czułości
detektorów
274
Budowa światłowodu
Światłowód dielektryczny to włókno (lub pasek) z
przezroczystego materiału, optycznie gęstszego niż
otoczenie (rdzenia> płaszcza , nrdzenia> npłaszcza )
Wykorzystywane zjawisko – całkowite wewnętrzne odbicie
fala wyciekająca
fala płaszczowa
n2

n1

fala rdzeniowa
275
•Budowa typowego światłowodu:
• rdzeń (kwarc, polimer)
• płaszcz (b. czyste szkło kwarcowe,
tworzywo sztuczne)
• powłoka ochronna (guma silikonowa)
276
Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia
zachodzi gdy kąt padania światła na granicę
z ośrodkiem optycznie rzadszym jest większy
od kąta granicznego (kr) .
n2
sin  kr 
n1
płaszcz
rdzeń
Przykładowo: dla n1=1,48 i n2=1,46 kr=80,6º
277
Światłowody
NA  sin   n  n
2
1
2
2
Apertura numeryczna (NA)
światłowodu
Optymalizacja sprzężenia źródła światła ze
światłowodem wymaga by światło ze źródła
mieściło się w kącie bryłowym o kącie
rozwarcia 2=-2kr (-kąt akceptacji).
Przez odpowiednie domieszkowanie rdzenia można
uzyskać w nim współczynnik załamania
zmieniający się „płynnie” wzdłuż promienia
światłowodu - w odróżnieniu od światłowodu
skokowego jest to wówczas światłowód
gradientowy.
278
światłowód wielomodowy
gradientowy
światłowód jednomodowy
r
n
(r
)
r
n
(r
)
r
n(
r)
światłowód
wielomodowy
skokowy
279
Wyróżnia się trzy rodzaje promieni:
- poosiowe – prostoliniowe wzdłuż osi,
- meridialne (południkowe) – przecinające oś
światłowodu, w skokowych – łamane, w
gradientowych krzywoliniowe
- spiralne (helikalne, skośne) – nie przecinające osi
światłowodu – w skokowych – łamana
spiralna, w gradientowych – linia śrubowa
280
Dla danego promienia określa się stałą
propagacji
  nk  n
2
0
n-współczynnik załamania,
0- długość fali w próżni
281

Traktując światło jako falę
elektromagnetyczną dochodzimy do
dyskretnych wartości wektorów E i H
zwanych modami.
282
Sygnał optyczny wprowadzany do światłowodu rozkłada się na
szereg charakterystycznych rozkładów pola elektrycznego (modów).
Każdy z modów przenosi część mocy impulsu z zachowaniem jego
charakterystyki czasowej ale z charakterystycznym dla danego modu
rozkładem mocy. Podstawowym parametrem w analizie modowej jest
wielkość
V  2
a
0
NA
a - średnica światłowodu
Liczba modów w światłowodzie wynosi:
N=0,5V2
W światłowodach wielomodowych może
sięgać wielu tysięcy
283
O właściwościach transmisyjnych
światłowodów decydują trzy czynniki:
1. Dyspersja sygnału (poszerzenie impulsu
lub szerokość pasma częstotliwości
transmitowanych sygnałów)\
2. tłumienność światłowodu – łączne straty
transmisji sygnału optycznego
3. efektywność sprzężenia światłowodu ze
źródłem światła wyrażona przez kąt
akceptacji światłowodu () lub aperturę
numeryczną (NA)
284
Dyspersja sygnału
Dyspersja – zjawisko, w którym prędkość
rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zależy
od jej częstotliwości.
T
we
t
wy
t
()ma
()max =T/2  T2 
x
Max. szybkość
transmisji:
B
1
1

T
2
[bit/s]
285
Przepływność informacji:
(pojemność informatyczna)
1
BL 

2
L

L
 Mb 
 s km
dyspersja na jednostkę długości [ns/km]
L – odległość transmisji
286
Dla światłowodu wielomodowego dyspersja
wielomodowa
 = tmax-toś
tmax - czas przejścia przez światłowód modu
dla kąta padania bliskiego granicznemu
(max. czas przejścia promienia w
światłowodzie)
toś - czas przejścia promienia poosiowego
(najkrótszy czas przejścia promienia w
światłowodzie)
287
Światłowód skokowy
 = 10...100ns (BL  100 Mb/s·km)
Tego rodzaju światłowody stosuje się dla odległości
1...3 km i mają one wtedy duże średnice (>100m) –
dobre sprzężenie ze źródłami światła.
Światłowód gradientowy
 = 1...10ns (BL 1200 Mb/s·km)
stosowane średnice ok. k·10m (typowy 50 m
/125 m )
288
Światłowód jednomodowy
Dyspersja międzymodowa nie występuje.
Dyspersja falowo-chromatyczna – różne czasy
przejścia fal o różnej długości (różne v)
Dyspersja chromatyczna (materiałowa) –
zależność współczynnika załamania szkła
od długości fali świetlnej
tmat=DL
D – współczynnik dyspersji
-
szerokość linii ze źródła światła
289
Dyspersja zależy od stosowanej długości fali świetlnej i szerokości
widmowej źródła światła.
dla laserów 3...5nm
dla LED 40...70nm (=0,85m) lub 120...150nm (= 1,3m)
Dyspersja materiałowa
0,2
1,0
1,6
 [m]
-0,2
laser
LED
(2nm szer.widma) (50nm szer.widma)
290
Dyspersja falowodowa – różne czasy
przejścia światła w rdzeniu i płaszczu
Dyspersja falowo-chromatyczna
 = 2...3ps
BL  10 GHz·km
291
Dyspersja - podsumowanie
292
Światłowody
Tłumienność światłowodu – określa ilość
traconego światła w rdzeniu światłowodu.
Tłumienność optyczna – funkcja logarytmiczna w dB (3dB
strata ok.. 50% światła)
źródło
wtrącenia mikrozgięcia
detektor


straty
sprzężenia
złącza
0,1...0,5dB 1,5dB
straty
sprzężenia
rozpraszanie
3...15dB absorpcja
wypromieniowanie
materiałowa
straty transmisji
0,2...5 dB/km
293
Dla długich światłowodów głównym
rodzajem strat są straty transmisji w
samym światłowodzie
Podstawowe składowe strat transmisji:
• absorpcja fizyczna
• rozpraszanie na wtrąceniach (Fe, Cr, jony
OH)
• rozpraszanie na mikrozgięciach i
mikropęknięciach na granicy rdzeń-płaszcz.
294
Charakterystyka tłumienności
Okna – długości fal przy których jest minimalne tłumienie.
Typowy wykres tłumienności dla światłowodu
kwarcowego.
295
Efektywność sprzężenia
Apertura Numeryczna
NA  sin   n  n
2
1
2
2
fala wyciekająca
fala płaszczowa


fala rdzeniowa
dla światłowodu skokowego (Si) = 0,242
dla światłowodu gradientowego =0,208
(=14º)
(=12º)
296
Sprawność sprzężenia (pojemność
energetyczna) źródło-światłowód zależy od
dopasowania charakterystyki kątowej źródła
i kąta akceptacji światłowodu.
Dioda LED (półsferyczna – kąt emisji 180º) - słabe
dopasowanie. Stosuje się optyczny układ dopasowujący
zapewniający transmisję ok. 70% emitowanej energii w
światłowodzie wielkoaperturowym (skokowy –
NA=0,3..0,5).
297
Laser – lepsze dopasowanie (transmisja ok. 60%
emitowanej energii w światłowodzie średnioaperturowym
(gradientowym NA=0,2) i ok. 10% w małoaperturowym
(jednomodowy- NA =0,12).
Wpływ apertury numerycznej na sprawność sprzężenia 
(pojemność energetyczną) i pojemność informatyczną BL
(przepływność informacji) światłowodu.
Pf
2

 NA
pojemność energetyczna
Ps
Pf – moc promieniowania w światłowodzie
Ps– moc promieniowania źródła
1
BL 
2
NA
pojemność informatyczna
298
Porównanie światłowodów
światłowód jednomodowy
• duża pojemność informatyczna
• mała pojemność energetyczna
światłowód skokowy
• duża pojemność energetyczna
• mała pojemność informatyczna
światłowód gradientowy
•dość duża pojemność energetyczna
•dość duża pojemność informatyczna
299
Przykładowe parametry światłowodu jednomodowego:
średnica rdzenia 3m
pojemność informatyczna 8Gb·km/s
tłumienność 0,2dB/km
rozstaw wzmacniaków 200km
Zastosowania – związane z długością stosowanej fali
świetlnej (oknem)
I okno 0,85m 10..20km -wszystkie rodzaje światłowodów
II okno 1,3m 30..40km -
gradientowe, jednomodowe
III okno 1,55m 150..200 km - jednomodowe
300
Źródła światła
Najczęściej wykorzystywane źródła to:
• diody elektroluminescencyjne LED,
• lasery – głównie półprzewodnikowe
Wykorzystuje się w nich fakt, że w tzw.
półprzewodnikach z prostą przerwą energetyczną
(należą do nich materiały z grupy AIIIBV np.GaAs,
GaAsP) występuje zjawisko rekombinacji
promienistej, której produktem jest światło. W
krzemie mającym skośną przerwę energetyczną
energia rekombinacji przekazywana jest atomom
sieci krystalicznej materiału – fonony
301
Diody elektroluminescencyjne
(LED)
W wyniku polaryzacji złącza p-n w kierunku
przewodzenia do obu typów półprzewodnika
wstrzykiwane są nośniki (dziury do „n” i elektrony
do „p”). Tam rekombinują z nośnikami
większościowymi – powstaje promieniowanie.
częstotliwość promieniowania   Wg / h
p
Wg
n
Wc
h
h
Wv
302
sprawność kwantowa wewnętrzna wew
 wew 
N fotonów wewn
N nosników
sprawność kwantowa zewnętrzna zewn
 zewn 
N fotonów zewn
N nośośnik
O stosunku obu sprawności decyduje m. in. kształt
diody
dioda półsferyczna dioda planarna
303
Sprawność kwantowa zewnętrzna diody
półsferycznej jest większa niż planarnej.
Dioda półsferyczna nie nadaje się do współpracy
ze światłowodem – mały kąt akceptacji
światłowodu, lepsza dioda planarna.
Wprowadzenie domieszek do pp zmienia kolor
świecenia diody:
dioda GaAsP – barwa czerwona (0,65m)
dioda GaAsN domieszkowana azotem
(podstawienie N w miejsce P) – barwa zielona
304
Częstotliwość graniczna modulacji
k·100MHz, moc wyjściowa ok. 1mW.
W sieciach optoelektronicznych stosuje się
diody heterozłączowe (np. AlGaAs/GaAs)
-o emisji powierzchniowej SLED (Surface LED)
- o emisji krawędziowej
ELED (Edge LED)
- superluminescencyjne
SLLED
305
Mają one moce wyjściowe większe niż dla
homozłączowych (do kilkunastu mW) a
mniejszą szerokość pasma (do 20MHz)
Pwy [mW]
4
SLLED
3
SLED
2
1
ELED
100
200
I[mA]
306
Na wyjściu stosuje się optyczne układy
dopasowujące np.. kulistą soczewkę w SLED dla
poprawienia sprawności.
Parametry diod
a) moc promieniowania wprowadzana do
światłowodu
typowo 0,85m
200 W
1,3 m
20W
max.
sięga 1mW
307
b) pasmo modulacji:
typowo: do 20MHz dla SLED
do 300MHz dla ELED
max. sięga 1 GHz
c) szerokość widma promieniowania
0,85 m  20...150nm  1,3 m
d) sprawność energetyczna
e) gęstość prądu
ok.. 10%
rzędu 1000A/cm2
308
Lasery
W konwencjonalnych źródłach światłach (włókna żarowe,
wyładowania – neony reklamowe, świecenie luminoforu)
światło powstaje przy powrocie atomów wzbudzonych do stanu
równowagi (niższej energii). Taka spontaniczna emisja źródła
światła może dawać wiązkę światła, w której każdy promień
jest w innej fazie względem drugiego, kwanty promieniowania
mogą mieć różną częstotliwość i biegną w różnych kierunkach.
takie światło nazywamy światłem niekoherentnym
(niespójnym). Wiązka niekoherentna ma niewielką
intensywność.
Fala koherentna (spójna) – fala, w której wszystkie
promienie mają jednakową częstotliwość , fazę i
biegną w jednym kierunku
309
Intensywność fali niekoherentnej i
koherentnej
Intensywność fali sinusoidalnej Asin=Asin(t)
wynosi A2.
Dla światła niekoherentnego, składającego się z
N fal o różnych fazach (1 2 3...  N )
intensywność wynosi
I= A12+A22+...AN2 = N·A2
Emisja spontaniczna
2
1
2
1
2
h1
2
1
310
Dla światła koherentnego, składającego się z N
fal o jednakowej fazie i częstotliwości
intensywność I wynosi
I=(A1+A2+...AN)2 = N2·A2
2
h12
1
inwersja
obsadzeń
Emisja wymuszona
2 h
12
1 h12
dwa fotony:
z rekombinacji i
pierwotny
Inwersja obsadzeń – więcej nośników w stanie
wzbudzonym niż podstawowym.
311
Lasery
Zasada działania b.podobna do LED.
Inwersję obsadzeń otrzymuje się przez
„przepuszczenie” przez złącze p-n b. dużego
prądu. Fotony emitowane w wyniku
spontanicznej rekombinacji stymulują akty
wzbudzenia i rekombinacji.
Wzbudzenie – absorpcja fotonu, przejście
elektronu do pasma przewodzenia
h1
2
Wc
Wc
WV
WV
312
Rekombinacja – fotony stymulują przejście
elektronu z pasma przewodnictwa do
podstawowego. emisja fotonu o tej
samej częstotliwości i fazie co foton
pierwotny (promieniowanie koherentne)
2
1
inwersja
obsadzeń
2 h
12
1 h12
313
warstwa aktywna - pp. „p” o Wg< niż p (tam
zachodzi rekombinacja)
314
Obszary „n” i „p” bardzo silnie
domieszkowane
moc
promieniowania
emisja
wymuszona
emisja
spontaniczna
prąd
progowy
prąd złącza
315
Rodzaje
laserów
316
W celu zwiększenia intensywności światła
stosuje się rezonatory optyczne (lustra).
powierzchnia lustrzana
elektrody
powierzchni
a lustrzana
obszar
aktywny
Ze względu na duże gęstości prądu
progowego niezbędne jest chłodzenie
317
Podstawowe parametry laserów
• sprawność ok. 30%
• moc ciągłego promieniowania setki mW
• pasmo modulacji ok. 10 GHz
• szerokość widmowa ok..2nm .0,01nm
(jednomodowe)
318
Detektory
Rolę detektorów promieniowania w układach
optoelektronicznych pełnią fotodiody
półprzewodnikowe
Głównie stosuje się:
• fotodiody PIN
• fotodiody lawinowe
• fotodiody oparte na złączu Schottky’ego
319
Fotodiody PIN to diody powstałe przez rozdzielenie
obszarów „p” i „n” obszarem półprzewodnika „i”.
h
p+InAlAs
i InGaAs
n+ InGaAs
n+ InP
Przy polaryzacji zaporowej
złącza najsilniejsze pole
elektryczne występuje w
obszarze pp „i”, co zmniejsza
w bardzo dużym stopniu czas
potrzebny na rozdzielenie
nośników wygenerowanych w
obszarze „i” po wpływem
światła
Diody PIN mają niska czułość prądową
320
Fotodiody lawinowe
Fotodiody lawinowe to złącze p-n
spolaryzowane zaporowo napięciem bliskim
napięcia przebicia
dielektryk
h
n+
p
p+
kontakty
omowe
obszar
zubożony
Powstałe pod wpływem światła w warstwie
zubożonej nośniki nabywają od pola
elektrycznego energię wystarczającą do
zapoczątkowania zderzeń jonizacyjnych.
321
Fotodiody oparte na złączu
Schottky’ego
kontakt omowy
antyrefleksyjna warstwa
dielektryczna
h
SiO2
półprzezroczysta
warstwa metalu
n-
kontakt omowy
n+
pół-izolacyjne podłoże
W wyniku pochłonięcia przez pp fotonów następuje
generacja pary elektron – dziura. Nośniki te zostają
rozdzielone (patrz dioda PIN) przez pole elektryczne
występujące w warstwie zubożonej metal-pp.
Częstotliwość pracy takich diod wynosi ok.. 100GHz
322
Fotodiody MSN (Metal
Semiconductor Metal)
złącza Schottky’ego
niedomieszkowana warstwa
półprzewodnika
kontakty metalowe
- niski prąd ciemny,
- szerokie widmo
323
Wprowadzenie do miernictwa
elektrycznego
Pojęcia podstawowe
Pomiar to proces poznawczy polegający na porównaniu za pomocą
doświadczenia fizycznego wielkości mierzonej z pewną jej
wartością przyjętą za jednostkę miary. Wynik pomiaru może mieć
postać liczbową lub graficzną (wykres; oscyloskop)
Pomiary dzielą się na:
• bezpośrednie
• pośrednie
324
Pomiar bezpośredni – w wyniku którego otrzymujemy
wartość badanej wielkości (np.. pomiar napięcia za pomocą
woltomierza)
Pomiar pośredni – w którym interesującą wartość określamy
obliczeniowo (pośrednio) na podstawie danych otrzymanych
w wyniku bezpośrednich pomiarów innych wielkości (np.
wzmocnienie wzmacniacza oblicza się na podstawie wartości
Uwe i Uwy)
Obiektem pomiaru jest wielkość mierzalna tj. cecha
zjawiska, ciała lub substancji, którą można wyróżnić
jakościowo i wyznaczyć ilościowo
325
Wielkości ciągłe (np.. napięcie w sieci) i ziarniste (dyskretne,
skwantowane np.. widmo promieniowania, sygnał Morse’a)
Wielkości aktywne (do pomiaru nie są potrzebne dodatkowe źródła
energii np.. temperatura, natężenie prądu) i pasywne (np. rezystancja).
Jednostki miary – obowiązujący układ SI (International System of
Units) – siedem jednostek podstawowych:
długość
m
masa
kg
czas
s
natężenie prądu
A
temperatura
K
liczność materii
mol
światłość
cd
326
Wynik pomiaru różni się od rzeczywistej wartości wielkości mierzonej
(niedoskonałość doświadczenia)
Błąd pomiaru to różnica między wynikiem pomiaru a wartością
prawdziwą wielkości mierzonej (błąd bezwzględny) – przy czym jako
wartość prawdziwą przyjmuje się średni wynik wielu pomiarów
wykonanych różnymi przyrządami i metodami.
Błąd względny pomiaru to stosunek błędu pomiaru
(bezwzględnego) do wartości mierzonej (często w %)
327
Błąd przypadkowy to różnica między wynikiem pomiaru a średnią z
nieskończonej liczby wyników pomiarów tej samej wielkości wykonanych
w warunkach powtarzalności (np. błąd paralaksy)
Błąd systematyczny to błąd, który przy wielu pomiarach tego samego
obiektu, w tych samych warunkach pozostaje stały tak co do wartości jak i
znaku – jego przyczyną może być np. błąd metody, błędy wzorcowania
(skalowania)
a)
b)
Analogia do błędu
przypadkowego (a) i
systematycznego (b)
Błędy pomiarowe mogą wynikać z niewłaściwego doboru
przyrządu pomiarowego lub zastosowania niewłaściwej metody
pomiarowej.
a) niewłaściwy dobór przyrządu pomiarowego – pomiar napięcia
R=2k; I=10mA;
bez obecności woltomierza U = I.R = 20 V I=const
w układzie z woltomierzem o rv=1k:
U
I=const
R
V
U
R
V
R  rv
2
Rz 
 k
R  rv 3
U = I.R = 6,7V
329
natomiast gdy rv=1M to wtedy:
U
I=const
R
V
R  rv
Rz 
 1,99 k
R  rv
U=10mA. 1,99k=19,9V
330
b) dobór odpowiedniej metody pomiarowej:
1. Metoda dokładnego pomiaru napięcia
i
mA
i
i
rA
U
R
V
Miliamperomierz wskazuje sumę prądu iR i iV. Błąd pomiaru i
tym mniejszy im rV większe od R.
331
2.Metoda dokładnego pomiaru prądu
UR
UA
R
mA
V
rA
Woltomierz wskazuje sumę napięć UR i UA. Błąd wskazań jest tym
mniejszy im rA mniejsze.
332
Wzorce miar
Wzorce są to narzędzia odtwarzające jednostki miary lub ich
wielokrotności. Wzorcem o największej dokładności jest etanol.
Etanol jest przeznaczony wyłącznie do przekazywania jednostki
miary innym wzorcom.
Wzorzec miary prądu elektrycznego
Etanolem jednostki miary prądu elektrycznego jest waga prądowa
1, 2 – cewki połączone
szeregowo, przez które płynie
prąd elektryczny o natężeniu I,
3,4 – ramiona wagi
333
Wzorzec miary natężenia prądu
Siła F1 jest równoważona siłą ciążenia Fm=mg
Na ramię „3” wagi działa siła elektrodynamiczna F1=k·I2
gdzie k - stała
k·I2=mg
Stąd:
I
mg
k
334
Wzorzec miary napięcia
Etanolem podstawowym napięcia stałego jest wzorzec składający się z 20
nasyconych ogniw Westona
Wartość SEM tego ogniwa w temp. 20ºC wynosi od 1,01854V do
1,01873V
Wadą tego etanolu jest zależność SEM od czystości użytych materiałów i od
temperatury.
Tendencja – definiowanie jednostki miary napięcia za pomocą zjawisk
molekularnych (efekt Josephsona)
335
Przyrządy Pomiarowe
Klasyfikacja
wg. spełnianych funkcji:
- mierniki
- rejestratory (X-Y, x-t)
- liczniki
- detektory zera
336
wg. sposobu przedstawiania wyników
- analogowe (np.. Wskaźnikowe, rejestratory)
–
wynik przedstawiony w sposób ciągły
- cyfrowe – wynik przedstawiony w postaci
dyskretnej (cyfrowej)
wg. fizycznej zasady działania np..
- mierniki magnetoelektryczne
- mierniki elektrodynamiczne
337
Mierniki analogowe - wskaźnikowe
Mierniki magnetoelektryczne
Mierniki magnetoelektryczne stanowią jedną z grup tzw. mierników
elektromechanicznych i są najczęściej stosowane jako przyrządy
wskazówkowe.
Zasada działania polega na oddziaływaniu pola magnetycznego magnesu
trwałego (stałego) i pola wytworzonego przez cewkę z prądem
elektrycznym. Siła oddziaływania jest proporcjonalna do prądu płynącego
przez cewkę.
1.
2.
3.
4.
5.
magnes trwały
rdzeń stalowy
cewka
sprężynka doprowadzająca prąd
wskazówka
338
Jeśli przez cewkę płynie prąd stały to na boki cewki działają siły powodujące
jej obrót. Kąt obrotu jest proporcjonalny do natężenia prądu cewki i wynosi:
1
  BNdbIc
k
B – wielkość indukcji magnetycznej
N – ilość zwojów cewki
d – szerokość cewki
b – długość boku cewki umieszczonej w polu magnetycznym
Ic – natężenie prądu płynącego przez cewkę
k – moment zwrotny sprężynki
339
1;2 cewka nawinięta na ramce
3
wskazówka
4
sprężynki
5
ciężarki wyważające
6
ośka
7 łożysko
8
rdzeń ferromagnetyczny
9
nabiegunniki
10 korektor zera
11 magnes stały
340
Podstawowy miernik to miernik natężenia prądu , w którym prąd płynie
bezpośrednio przez cewkę (amperomierz bezpośredni). Amperomierze
bezpośrednie budowane są z reguły na prądy od 1A do 25mA (wyjątkowo do
500mA) – ograniczenia termiczne.
Aby rozszerzyć zakres pomiarowy stosuje się boczniki
Natężenie mierzonego prądu I wynosi:
 Rw 
 IU
I  1 
 Rb 
341
Amperomierz wielozakresowy
342
Woltomierz
Przetwornik magnetoelektryczny stosuje się również do pomiaru
napięcia. W tym celu szeregowo z przyrządem włącza się rezystor
(posobnik)
I
Mierzone napięcie U wynosi: U=I(RMn+Rw)
Rezystancja woltomierzy wynosi od 1000/V do 100k/V. Im
większa rezystancja woltomierza tym mniejsze obciążenie prądowe
badanego obiektu.
343
Omomierz
Miernik magnetoelektryczny stosuje się
również do pomiarów rezystancji –
omomierz.
Dwa rodzaje omomierzy:
-szeregowe
- równoległe
344
Omomierz
W omomierzu szeregowym szeregowo z przyrządem
magnetoelektrycznym włącza się rezystor manganianowy Rs o takiej
wartości, że przy zwartych zaciskach omomierza płynie prąd pełnego
wychylenia miernika o natężeniu:
345
Eo
I m ax 
Ro  Rw  Rs
Ro – rezystancja wewnętrzna źródła napięcia
Rw – rezystancja wewnętrzna miernika
Po włączeniu mierzonej rezystancji Rx natężenie prądu w
układzie wynosi:
Eo
I m ax 
Ro  Rw  Rs  Rx
346
Zakładając, że Rw+Ro+Rs=const=R otrzymuje się wzór określający kąt
wychylenia wskazówki od wartości rezystancji Rx.
1
   max
R
1 x
R
max – maksymalne wychylenie wskazówki przy Rx=0
Podziałka omomierza szeregowego jest nierównomierna. Najdokładniejszy
pomiar jest dla środkowej części zakresu. omomierze szeregowe mają dużą
rezystancję wewnętrzną i nadają się do pomiarów dużych wartości
rezystancji.
347
W omomierzu równoległym mierzona rezystancja
włączona jest równolegle do cewki miernika. Podziałka
tego omomierza jest odwrócona w stosunku do
omomierza szeregowego
Omomierz równoległy jest lepiej przystosowany do
pomiaru małych rezystancji.
348
Mierniki
elektromagnetyczne
Zasada działania ustroju elektromagnetycznego polega na wzajemnym
oddziaływaniu jednego lub kilku elementów ruchomych wykonanych z
materiału ferromagnetycznego i pola magnetycznego wytwarzanego przez
jedną lub kilka cewek, w których płynie mierzony prąd. – zasada działania
elektromagnesu.
Pierwszy miernik
elektromagnetyczny
349
Multimetry analogowe
Multimetrami lub miernikami uniwersalnymi nazywa się
mierniki wielozakresowe (np.. zakresy 0,15; 0,6; 3; 15; 60;
300; 1500mA) i wielofunkcyjne (np.. pomiary prądu i
napięcia stałego lub przemiennego, pomiar rezystancji)
Niektóre multimetry umożliwiają pomiary np.. pojemności,
stosunku dwu napięć, temperatury, parametrów
tranzystorów itd.)
350
Multimetry analogowe
1 – rdzeń nieruchomy
2 – rdzeń ruchomy
3 – cewka
Kąt wychylenia wskazówki proporcjonalny jest do kwadratu
natężenia/2 (kwadratu wartości skutecznej) przepływającego przez
cewkę prądu. Tak więc miernik działa zarówno przy prądzie stałym jak
i przemiennym.
Właściwości – prosta budowa, duża niezawodność (brak ruchomej
cewki) przeznaczone do pomiarów prądów przemiennych.
351
Oscyloskop
Oscyloskop jest stosowany do obserwacji i analizy kształtu
czasowych przebiegów okresowych lub nieokresowych
napięcia i prądu. Charakteryzuje się m. innymi dużą
rezystancją wejściową, dużą czułością napięciową i dużym
zakresem częstotliwości badanych przebiegów (0..20GHz)
352
Oscyloskop
Strukturalny schemat
oscyloskopu analogowego
Rozróżniamy oscyloskopy jednostrumieniowe (możliwość obserwacji
tylko jednego sygnału) i dwustrumieniowe (możliwość obserwacji
jednocześnie dwu różnych sygnałów)
353