Elektronika pro informační technologie (IEL)

Transkript

1 Elektronika pro informační technologie (IEL) Třetí laboratorní cvičení Brno University of Technology, Faculty of Information Technology Božetěchova 1/2, Brno - Královo Pole inecasova@fit.vutbr.cz 2016/2017

2 Základní informace Můj profil: Kancelář: A221 Konzultační hodiny: po domluvě em Osobní stránky IEL cvičení 3 2

3 Obsah Polovodičová dioda Úvod do problematiky Měření V-A charakteristiky diody Logický součet a součin v diodové logice IEL cvičení 3 3

4 POLOVODIČOVÁ DIODA IEL cvičení 3 4

5 Fyzikální princip PN přechodu Rozlišujeme polovodiče vlastní a nevlastní Vlastní (v praxi se příliš nepoužívají) Křemík (Si) Valenční vrstva 4 elektrony, chová se jako elektricky neutrální Příměsí vhodných prvků do čistého křemíku se tento stav naruší vznik 2 typů polovodičů IEL cvičení 3 5

6 Fyzikální princip PN přechodu Rozlišujeme polovodiče vlastní a nevlastní Vlastní (v praxi se příliš nepoužívají) Křemík (Si) Valenční vrstva 4 elektrony, chová se jako elektricky neutrální Příměsí vhodných prvků do čistého křemíku se tento stav naruší vznik 2 typů polovodičů Nevlastní polovodiče typu P Polovodiče typu N IEL cvičení 3 6

7 Fyzikální princip PN přechodu Typ N: elektronová vodivost, příměs o 1 el. více Příklad: 5-mocný fosfor (P) 5 elektronů ve valenční vrstvě 7

8 Fyzikální princip PN přechodu Typ N: elektronová vodivost, příměs o 1 el. více Příklad: 5-mocný fosfor (P) 5 elektronů ve valenční vrstvě v krystalu křemíku od každého atomu fosforu 1 volný elektron 8

9 Fyzikální princip PN přechodu Typ N: elektronová vodivost, příměs o 1 el. více Příklad: 5-mocný fosfor (P) 5 elektronů ve valenční vrstvě v krystalu křemíku od každého atomu fosforu 1 volný elektron Záporně nabitý materiál polovodič typu N 9

10 Fyzikální princip PN přechodu Typ P: děrová vodivost, příměs o 1 el. méně Příklad: 3-mocný bor (B) 3 elektrony ve valenční vrstvě IEL cvičení 3 10

11 Fyzikální princip PN přechodu Typ P: děrová vodivost, příměs o 1 el. méně Příklad: 3-mocný bor (B) 3 elektrony ve valenční vrstvě v krystalu křemíku od každého atomu boru 1 volné místo ("díra") IEL cvičení 3 11

12 Fyzikální princip PN přechodu Typ P: děrová vodivost, příměs o 1 el. méně Příklad: 3-mocný bor (B) 3 elektrony ve valenční vrstvě v krystalu křemíku od každého atomu boru 1 volné místo ("díra") Kladně nabitý materiál polovodič typu P IEL cvičení 3 12

13 Fyzikální princip PN přechodu Příměsi s 5 valenčními elektrony (např. fosfor) Donory: dodávají do krystalu křemíku volné elektrony IEL cvičení 3 13

14 Fyzikální princip PN přechodu Příměsi s 5 valenčními elektrony (např. fosfor) Donory: dodávají do krystalu křemíku volné elektrony Příměsi se 3 valenčními elektrony (např. bor) Akceptory: vytvářejí v křemíku kladně nabité "díry", které elektrony přitahují IEL cvičení 3 14

15 Fyzikální princip PN přechodu Příměsi s 5 valenčními elektrony (např. fosfor) Donory: dodávají do krystalu křemíku volné elektrony Příměsi se 3 valenčními elektrony (např. bor) Akceptory: vytvářejí v křemíku kladně nabité "díry", které elektrony přitahují Takto upravené materiály jsou však samy o sobě prakticky nepoužitelné, jelikož neposkytují dostatek volných elektronů pro vedení proudu. IEL cvičení 3 15

16 Fyzikální princip PN přechodu Příměsi s 5 valenčními elektrony (např. fosfor) Donory: dodávají do krystalu křemíku volné elektrony Příměsi se 3 valenčními elektrony (např. bor) Akceptory: vytvářejí v křemíku kladně nabité "díry", které elektrony přitahují Takto upravené materiály jsou však samy o sobě prakticky nepoužitelné, jelikož neposkytují dostatek volných elektronů pro vedení proudu. Řešení: spojíme polovodiče typu P a N PN přechod IEL cvičení 3 16

17 PN přechod napětí nepřipojeno Rozhraní materiálů P a N hradlová vrstva (potenciálová bariéra) IEL cvičení 3 17

18 PN přechod napětí nepřipojeno Rozhraní materiálů P a N hradlová vrstva (potenciálová bariéra) Volné elektrony (-) jsou přitahovány k dírám (+) rekombinace zánik páru (elektron se náhodně setká s dírou, ztratí část energie a zaplní díru) IEL cvičení 3 18

19 PN přechod v závěrném směru Připojeno vnější napětí Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče N přitahuje elektrony (-) IEL cvičení 3 19

20 PN přechod v závěrném směru Připojeno vnější napětí Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče N přitahuje elektrony (-) Záporná polarita (-) vnějšího napětí u polovodiče P přitahuje díry (+) IEL cvičení 3 20

21 PN přechod v závěrném směru Připojeno vnější napětí Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče N přitahuje elektrony (-) Záporná polarita (-) vnějšího napětí u polovodiče P přitahuje díry (+) potenciálová bariéra se zvětšuje a proud neprotéká IEL cvičení 3 21

22 PN přechod v propustném směru Připojeno vnější napětí Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče P odpuzuje díry (+) IEL cvičení 3 22

23 PN přechod v propustném směru Připojeno vnější napětí Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče P odpuzuje díry (+) Záporná polarita (-) vnějšího napětí u polovodiče N odpuzuje elektrony (-) a tlačí je směrem k přechodu IEL cvičení 3 23

24 PN přechod v propustném směru Připojeno vnější napětí Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče P odpuzuje díry (+) Záporná polarita (-) vnějšího napětí u polovodiče N odpuzuje elektrony (-) a tlačí je směrem k přechodu potenciálová bariéra zaniká a začíná protékat proud dochází k rekombinaci elektronů a děr IEL cvičení 3 24

25 PN přechod v praxi dioda Polovodičová dioda má tuto značku: Jedná se vlastně o polovodičový PN přechod Má dvě elektrody kladnou: anodu, P (delší) zápornou: katodu, N (kratší) IEL cvičení 3 25

26 VA charakteristika charakteristika diody Ideálně by měla asi vypadat nějak takto To by znamenalo, že po připojení napájecího napětí bude proud protékat pouze jedním směrem VA = volt-ampérová charakteristika IEL cvičení 3 26

27 VA charakteristika charakteristika diody Skutečná charakteristika ale vypadá takto: Diodou prochází proud i v tzv. závěrném směru. Pokud překročí maximální povolenou hodnotu, dojde k (destruktivnímu) průrazu a u většiny typů diod i k jejich zničení (existují výjimky Zenerova dioda) IEL cvičení 3 27

28 VA charakteristika charakteristika diody Si otevírá se při U D =0,4V, otevřená je při U D =0,5V průraz cca při cca 300V IEL cvičení 3 28

29 PŘEHLED VYBAVENÍ IEL cvičení 3 29

30 Nepájivé pole Sloupce V bodované části budete pracovat s nepájivým polem, měřit budete pomocí multimetru Nepájivé pole sloupce jsou vodivě propojeny! Izolační žlábek ukončuje vodivé propojení sloupce Izolační žlábky Řádky IEL cvičení 3 30

31 Multimetr Nastavit vždy před přivedením napájecího napětí!! DCV stejnosměrné napětí Ω odpor Zem (GND) DCA stejnosměrný proud Test vodiče Měření (U, I, R) IEL cvičení 3 31

32 Zelený přípravek LED diody (K, A) Tlačítka Potenciometry IEL cvičení 3 32

33 Nové vybavení diody červená černá IEL cvičení 3 33

34 ÚKOL 1 V-A CHARAKTERISTIKA DIODY IEL cvičení 3 34

35 V-A charakteristika diody Postup zapojení IEL cvičení 3 35

36 V-A charakteristika diody Postup zapojení Rezistor modelován jako potenciometr IN: 5V, OUT: 0V, JEZDEC: připojit na LED DCV: 20V (paralelně) DCA: 20m (sériově) IEL cvičení 3 36

37 ÚKOL 2 LOGICKÉ OPERACE AND, OR V DIODOVÉ LOGICE IEL cvičení 3 37

38 Úkol: Logický součin a součet v diodové logice Ověřte, zda jsou následující obvody schopny realizovat logické operace OR (součet) a AND (součin) Součet (OR) Součin (AND) Napětí v bodech A, B jsou vstupy obvodu, C je výstup (regulujte pomocí potenciometrů) Log. 0 v rozsahu 0 1 V, log. 1 v rozsahu 3 5V IEL cvičení 3 38

39 Reference [1] Webové stránky cvičení IEL, dostupné online z: ate/labs/.cs IEL cvičení 3 39

40 Děkuji Vám za pozornost!

41 ÚKOL DIODOVÝ USMĚRŇOVAČ IEL cvičení 3 41

42 Využití diod Propustný směr: diodou prochází proud Závěrný směr: průchod proudu je blokován Využití: Usměrňovače Také např. jako ochrana zařízení před nesprávnou polaritou napájecího napětí IEL cvičení 3 42

43 Usměrňovače Existuje několik druhů usměrňovačů, v rámci dnešní laboratoře budeme pracovat s tzv. jednocestným usměrňovačem Princip činnosti v praxi viz obrázek IEL cvičení 3 43

44 Úkol: Diodový usměrňovač Pro ověření funkce diodového usměrňovače zapojte na přípravku následující soustavu diferenciálních rovnic y = u y 0 = 10 u = y u 0 = 0 Na přípravku se tato soustava dá zapojit následovně: Pozn.: vzhledem k součástkám v přípravku bude harmonický průběh tlumený Pozn.: Pozor, prvky jsou invertující IEL cvičení 3 44

45 Úkol: Diodový usměrňovač usměrnění Nyní připojte k obvodu, který generuje harmonický signál, diody a ověřte, že ho opravdu usměrňují Obvody budete připojovat za invertor Poznámka: hodnoty R nastavte dostatečně velké, tj. alespoň v řádu jednotek či desítek kω IEL cvičení 3 45