ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΩΤΗΤΑ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΩΤΗΤΑ Έστω R: μια αντίσταση ενός αγωγού σταθερής διατομής ρ: ειδική αντίσταση του αγωγού l: το μήκος του αγωγού και S: το εμβαδό της διατομής του αγωγού Ισχύει ο τύπος: R= Η ευκολία διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από ένα υλικό εκφράζεται με το φυσικό μέγεθος ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα (σ) και ορίζεται από το αντίστροφο της ειδικής αντίστασης (ρ) ως εξής: σ=1/ρ

2 Επίσης ισχύει: σ=n q μ όπου n: ο αριθμός των φορέων του ηλεκτρικού ρεύματος ανά μονάδα όγκου (πυκνότητα φορέων), q: το ηλεκτρικό φορτίο του φορέα, μ:ευκινησία του φορέα. Η τιμή της εξαρτάται από το είδος του φορέα το υλικό και τη θερμοκρασία.

3 Λαμβάνοντας υπόψη τις τιμές τις ειδικής αγωγιμότητας, τα υλικά χωρίζονται χοντρικά σε τρεις γνωστές κατηγορίες: Αγωγοί (μέταλλα) με τιμές ειδικής αντίστασης της τάξης του 10-8 Ω.m Ημιαγωγοί με τιμές στην περιοχή Ω.m Μονωτές με τιμές μεγαλύτερες του 1012 Ω.m Οι ημιαγωγοί αποτελούν μια κατηγορία στερεών σωμάτων που χαρακτηρίζονται από μικρό αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων σε αντίθεση με τα μέταλλα που παρουσιάζουν μεγάλο πλήθος ελεύθερων ηλεκτρονίων και τους μονωτές που διαθέτουν ελάχιστα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Δυο βασικές διαφορές ημιαγωγών και μετάλλων: α) Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών οφείλεται όχι μόνο στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, αλλά και σε ένα άλλο είδος φορέων ηλεκτρικού ρεύματος, τις θετικές οπές. β) Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του ημιαγωγού αυξάνεται και η αγωγιμότητα του.

4 Αγωγιμότητα Ημιαγωγών α) οφείλεται: Στα ελεύθερα ηλεκτρόνια Στις θετικές οπές β) αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας

5 Θετικές οπές Δημιουργούνται σε σημεία όπου χάνεται ένα ηλεκτρόνιο. Κινούνται αντίθετα από το ηλεκτρόνιο που καταλάμβανε την οπή, και συμπεριφέρονται σαν θετικός φορέας του ηλεκτρικού ρεύματος. Σύνδεση με βίντεο

6 Κατηγορίες ημιαγωγών Ενδογενής (αυτοτελείς) Δημιουργούνται με την μεταβολή της θερμοκρασίας. Σε θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν σπάνε οι δεσμοί και δημιουργούνται θετικές οπές. Η πυκνότητα του φορέα (n) αυξάνεται συνεπώς αυξάνεται και η αγωγιμότητα (σ = n q μ) Πρόσμιξης Δημιουργούνται με την εισαγωγή ενός ατόμου πρόσμιξης Η πρόσμιξη έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία: α) ενός θετικού (positive) φορέα ή β) ενός αρνητικού (negative) φορέα

7 Η ΔΙΑΦΟΡΑ Ενδογενής (αυτοτελείς) Αριθμός οπών = Αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων Πρόσμιξης Αριθμός οπών Αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων Τύπου p Έχουν περισσότερες οπές Τύπου n Έχουν περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια

8 Επαφή p-n (ή ένωση p-n) Δημιουργείται στην επιφάνεια επαφής ενός ημιαγωγού-p με έναν ημιαγωγό-n. δότη δέκτη Κατά την υλοποίηση της επαφής p-n, σημειώνεται μετακίνηση ηλεκτρονίων από τον ημιαγωγό-n προς τον ημιαγωγό-p, προς επανασύνδεση με τις παραπλήσιες οπές, οπότε λαμβάνει χώρα η αντίδραση: ηλεκτρόνιο + οπή ενέργεια.

9 Αποτέλεσμα αυτής της δράσης είναι η αλληλοεξουδετέρωση των φορέων και η δημιουργία εκατέρωθεν της επαφής δύο τμημάτων «απογυμνωμένων» από τους φορείς τους, δηλ. ένα τμήμα στον ημιαγωγό-n με θετικά ιόντα μόνο, χωρίς ηλεκτρόνια και ένα τμήμα στον ημιαγωγό-p με αρνητικά ιόντα μόνο, χωρίς οπές. Τα δύο αυτά τμήματα συνιστούν την περιοχή απογύμνωσης (depletion region) της διόδου, βλ. Σχ. 2. Έξω από την περιοχή απογύμνωσης η δομή των ημιαγωγών παραμένει ως είχε. Η ζώνη απογύμνωσης δημιουργεί φραγμό στη μετακίνηση ηλεκτρονίων διαμέσου αυτής. Το ελάχιστο δυναμικό V0 που πρέπει να επιβληθεί για να υπερπηδηθεί η ζώνη απ ογύμνωσης από τα ηλεκτρόνια ονομάζεται δυναμικό φραγμού.

10 Η δίοδος p-n υλοποιείται με σύνδεση των άκρων των δύο ημιαγώγιμων τμημάτων p και n με μεταλλικές επαφές. Έτσι, προκύπτουν η άνοδος Α και η κάθοδος Κ της διόδου, η οποία στα ηλεκτρικά κυκλώματα συμβολίζεται με ένα βέλος στην πλευρά p και μία γραμμή στην πλευρά n.

11 H ζώνη απογύμνωσης λειτουργεί ως πυκνωτής με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Χωρητικότητα επαφής ή στατική χωρητικότητα φραγμού: Διαφορά δυναμικού: Όπου: ΔQ - μεταβολή του φορτίου της ζώνης, S - η επιφάνεια της ζώνης, L - το μήκος της, ε - η διηλεκτρική σταθερά του ημιαγωγού, V - η εξωτερικά επιβαλλόμενη τάση, V0 - το δυναμικό φραγμού (0.1V για το Ge και 0.5V για το Si). Η χωρητικότητα CT λαμβάνει τιμές στην περιοχή pf.

12 ΠΟΛΩΣΗ ΔΙΟΔΟΥ p-n 1. Ορθή πόλωση, όταν ο θετικός πόλος της εξωτερικής πηγής συνδέεται με το τμήμα p της διόδου

13 Με αύξηση της εξωτερικής τάσης, το μήκος της ζώνης απογύμνωσης βαθμιαία μειώνεται μέχρις ότου μηδενιστεί, οπότε ξεκινά ροή ρεύματος στο κύκλωμα προς μία κατεύθυνση. Κατευθείαν ρεύμα ή ρεύμα ορθής φοράς ή ρεύμα διάχυσης IF: (Είναι το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα και σημειώνεται με φορά αντίθετη προς τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων). Η ορθά πολωμένη δίοδος p-n λειτουργεί ως κλειστός διακόπτης V > V0

14 2. Ανάστροφη πόλωση διόδου p-n: (α) V<V0, (β) V'>V0 Με αύξηση της εξωτερικής τάσης, το μήκος της ζώνης απογύμνωσης αυξάνεται συνεχώς και η δίοδος διαρρέεται από ένα πολύ μικρό ρεύμα (Ι0), που ονομάζεται ανάστροφο ρεύμα κόρου (της τάξης των μa) και παραμένει σχεδόν σταθερό.

15 Όταν η εξωτερική τάση φθάσει μια ορισμένη τιμή (Vz) που λέγεται τάση διάσπασης ή τάση Zener, παρατηρείται ραγδαία αύξηση του ρεύματος Το φαινόμενο καλείται κατάρρευση της διόδου. Η ανάστροφα πολωμένη δίοδος p-n αντιμετωπίζεται σε κύκλωμα ως ανοικτός διακόπτης (ιδανική δίοδος) ή ως πολύ μεγάλη αντίσταση (μη ιδανική δίοδος)

16 Η δίοδος σαν ηλεκτρονικός διακόπτης Πόλωση: ορθή ηλ. αντίσταση = 0 Πόλωση: ανάστροφη ηλ. αντίσταση = άπειρη

17 Τεχνικά χαρακτηριστικά διόδου Περιγράφουν τις ασφαλείς περιοχές: τάσης, έντασης, θερμοκρασίας, συχνότητα κ.λπ. Είδη διόδων και οι εφαρμογές τους

18 Μετατροπή εναλλασσόμενης τάσης (ac) σε συνεχή (dc) Μετασχηματισμός τάσης ανόρθωση φιλτράρισμα σταθεροποίηση

19 Ανόρθωση ημιτονοειδούς τάσης Οι αρνητικές ημιπερίοδοι κόβονται Οι αρνητικές ημιπερίοδοι μετατρέπονται σε θετικές

20 Κύκλωμα απλής ανόρθωσης Όταν V2 > 0 η δίοδος άγει Όταν V2 < 0 η δίοδος δεν άγει V0 = I R

21 Κύκλωμα πλήρους ανόρθωσης

22 Πάνω άκρο αρνητικό V2 < 0 Πάνω άκρο θετικό V2 > 0

23 Κύκλωμα πλήρους ανόρθωσης με φίλτρο πυκνωτή

24

25 Οπτικοηλεκτρονικές διατάξεις (συνδυασμός ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και οπτικής ακτινοβολίας) Φωτοανιχνευτές Γεννήτριες φωτός Οπτικό σήμα Οπτικό σήμα ηλεκτρικό ηλεκτρικό Η οπτική ακτινοβολία αντικαθιστά το ηλεκτρικό ρεύμα

26 Δίοδος φωτοεκπομπής ή LED ( Light Emitting Diode) Είναι η δίοδος, η οποία εκπέμπει φως, όταν πολώνεται ορθά. Το χρώμα του φωτός καθορίζεται από το υλικό του ημιαγωγού, Η έντασή του αυξάνεται με την ένταση του ρεύματος Βασική αρχή: επανασύνδεση οπών και ελευθέρων ηλεκτρονίων στην περιοχή της επαφής ρη Στον κρύσταλλο ενός ημιαγωγού προσφέρεται ενέργεια Ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο και μια οπή επανασυνδέονται Ελευθερώνεται ενέργεια με την μορφή ακτινοβολίας (ορατή ή αόρατη) Σχετικό βίντεο:

27 Κρυσταλλοτρίοδος (transistor) Transfer (μεταφορά) transistor Resistor (αντίστασης) Υπάρχουν δύο τύποι τρανζίστορ: Τα τρανζίστορ επαφής (διπολικά) bipolar transistor Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου γνωστά ως FET

28 Tρανζίστορ επαφής διπολικό τρανζίστορ (bipolar junction transistor-bjt) Είναι: κρύσταλλος με τρεις περιοχές εμπλουτισμένες με προσμίξεις αποτελείται από: τρία διαδοχικά εναλλασσόμενα στρώματα ημιαγωγού υλικού το ενδιάμεσο υλικό είναι: τύπου -n (τρανζίστορ τύπου-pnp) ή τύπου-p (τρανζίστορ τύπου -npn),

29 Εκπομπός (emitter): Είναι μια έντονα εμπλουτισμένη περιοχή (τονίζεται με δύο ++) και εκπέμπει φορτία προς τη βάση Βάση (base): Είναι μια πολύ λεπτή περιοχή λιγότερο εμπλουτισμένη (τονίζεται με ένα +), που επιτρέπει στα περισσότερα φορτία που εκπέμπονται από τον εκπομπό να φθάνουν στο συλλέκτη Συλλέκτης (collector): Συλλέγει τα φορτία που καταφθάνουν από τον εκπομπό.

30 Σημαντικά: Σημαντικά 1. Μπορεί να θεωρηθεί ότι το διπολικό τρανζίστορ αποτελείται από δύο διόδους συνδεδεμένες σε αντίθετη φορά, μια μεταξύ βάσης και εκπομπού (δίοδος ή επαφή εκπομπού) και μια μεταξύ βάσης και συλλέκτη (δίοδος ή επαφή συλλέκτη). 2. Οι φορείς πλειονότητας σε εκπομπό και συλλέκτη: στο τρανζίστορ-pnp είναι οπές, ενώ στο τρανζίστορ-npn είναι ηλεκτρόνια. 3. Τα τρία τμήματα που υπάρχουν στον ημιαγωγό του τρανζίστορ επαφής δεν είναι όμοια μεταξύ τους ούτε στις διαστάσεις ούτε στην πυκνότητα των προσμίξεων. Ο συλλέκτης είναι μεγαλύτερος σε διαστάσεις. η πυκνότητα των προσμίξεων είναι μεγαλύτερη στον εκπομπό. Η βάση είναι συνήθως μικρότερη σε διαστάσεις και φτωχότερη σε προσμίξεις. 4. Στο κυκλωματικό σύμβολο, το βέλος βρίσκεται πάντα στον εκπομπό και δείχνει τη συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος, ενώ η φορά του βέλους δείχνει τον ημιαγωγό-n p p n n n p

31 Λειτουργία του τρανζίστορ Για να λειτουργήσει το τρανζίστορ, πρέπει οι επαφές pn να πολωθούν Περιοχές φορτίου χώρου σε τρανζίστορ-npn χωρίς πόλωση Περιοχές φορτίου χώρου σε τρανζίστορ-npn με πόλωση

32 Πόλωση επαφής εκπομπού Πόλωση επαφή συλλέκτη ορθά ανάστροφα ορθά ορθά ανάστροφα ανάστροφα ανάστροφα ορθά Η συχνότερα χρησιμοποιούμενη Ενεργός περιοχή Περιοχή κόρου Περιοχή αποκοπής Συμπεριφέρεται ως κλειστός διακόπτης (on) Συμπεριφέρεται ως ανοιχτός διακόπτης (off)

33 Τα ρεύματα του τρανζίστορ προκύπτουν κυρίως από τους φορείς που στέλνει ο εκπομπός, έτσι: 1. ΙΕ - από τα ηλεκτρόνια που εισέρχονται στη βάση. 2. ΙΒ προέρχεται απο την ΜΙΚΡΗ εξουδετέρωση των ηλ. από τις οπές. 3. ΙC τα υπόλοιπα ηλ., τα οποία έλκονται από τον συλλέκτη.

34 Τα ρεύματα του τρανζίστορ ΙΕ = ΙΒ + ΙC 1. ΙΒ πολύ μικρό, και ΙΕ περίπου ίσο με το ΙC 2. Όταν μεταβάλλεται το ρεύμα της βάσης, θα μεταβάλλεται και το ρεύμα του συλλέκτη 3. Όταν αυξάνεται το ρεύμα ΙΒ αυξάνεται και το ρεύμα ΙC συντελεστής ενίσχυσης ρεύματος β β = ΔΙC / ΔΙΒ (VCE σταθερή)

35 Χαρακτηριστικές καμπύλες εξόδου τρανζίστορ npn περιοχή κανονικής λειτουργίας Είναι η περιοχή μικρών τάσεων η δίοδος συλλέκτη δεν είναι ανάστροφα πολωμένη ρεύμα βάσης μηδέν και ρεύμα συλλέκτη πολύ μικρό