ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ενότητα 1

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ενότητα 1: Ημιαγωγική δίοδος Χατζόπουλος Αλκιβιάδης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχ. Υπολογιστών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σχεδιασμός ενοτήτων: 1. Ημιαγωγική δίοδος 2. Ένωση pn 3. Τρανζίστορ FET 4. Πόλωση των FET - Ισοδύναμα κυκλώματα 5. Ενισχυτές με FET 6. Διπολικό τρανζίστορ (BJT) 7. Πόλωση των BJT - Ισοδύναμα κυκλώματα 8. Ενισχυτές με διπολικά τρανζίστορ 9. Ενισχυτές με ενεργό φορτίο 10. Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 4

5 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΗ ΔΙΟΔΟΣ

6 Περιεχόμενα ενότητας 1. Εισαγωγή χαρακτηριστικές λειτουργίαςμοντέλα (διαφ. 7-14) 2. Πόλωση διόδου (διαφ ) 3. Παράδειγμα κυκλωμάτων με διόδους (διαφ ) ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ 6

7 Δίοδος - Κυκλώματα διόδων Κατηγορίες υλικών: Αγωγοί (ρ=10 6 Ω cm). Μονωτήρες/μονωτές (ρ=10 6 Ω cm). Ημιαγωγοί (Πυρίτιο, γερμάνιο). 7

8 Η δίοδος Η δίοδος είναι εξάρτημα που επιτρέπει την αγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος προς μία μόνο κατεύθυνση και όχι προς την άλλη. Κύριες εφαρμογές των διόδων : - Ως «διακόπτες» που επιτρέπουν το ρεύμα να ρέει μόνο προς την ορθή φορά μέσα στο κύκλωμα και όχι προς την ανάστροφη. - Ως ρυθμιστές- σταθεροποιητές τάσης (δίοδοι Zener). 8

9 Χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης της διόδου 9

10 Προσεγγιστικές χαρακτηριστικές της διόδου «Τετραγωνική» «Ιδανική με V D» «Ιδανική» 10

11 Ισοδύναμα κυκλώματα Ισοδύναμα κυκλώματα: Γραμμικά - Μη γραμμικά (μαθηματικά). Συνεχούς ρεύματος (dc). Εναλλασσόμενου ρεύματος (ac) Χαμηλών συχνοτήτων. Mέσων συχνοτήτων. Υψηλών συχνοτήτων. Γενικό ισοδύναμο. 11

12 Moντέλο διόδου στο SPICE Diode Equations for DC Current Id = area (Ifwd - Irev) Ifwd = forward current = Inrm Kinj + Irec Kgen Inrm = normal current = IS (e Vd/(N Vt) -1) if: IKF > 0 then: Kinj = high-injection factor = (IKF/(IKF+Inrm)) 1/2 else: Kinj = 1 Irec = recombination current = ISR (e Vd/(NR Vt) -1) Kgen = generation factor = ((1-Vd/VJ) )M/2 Irev = reverse current = Irevhigh + Irevlow Irevhigh = IBV e -(Vd+BV)/(NBV Vt) Irevlow = IBVL e -(Vd+BV)/(NBVL Vt) 12

13 Χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης της διόδου I D I S V nv D ( e T 1) I s ανάστροφο ρεύμα κόρου (εξαρτάται από τη θερμοκρασία, διπλασιάζεται κάθε 10 ºC) V T = kt/q = 26 mv (για Τ= Κ) [ Θερμική τάση ] n = 1 για το γερμάνιο 2 για το πυρίτιο (για διακριτά εξαρτήματα) 13

14 Εξάρτηση της χαρακτηριστικής I-V της διόδου από τη θερμοκρασία i D (ma) Τ+ΔΤ Τ 0 Vγ 0.6 Si 0.2 Ge υ D (V) Αύξηση ρεύματος κόρου (2πλασιασμός κάθε 10 0 K (Ge) ή 6 0 K (Si)) 14

15 Πόλωση διόδου VD nvt υ D ID IS ( e 1) V 1 i D V 1 = υ D + i D R L R L i D = - (1/ R L ) υ D + V 1 / R L Eυθεία φορτίου (Load line) Θεώρημα Thevenin για πιο σύνθετα κυκλώματα, ώστε: V 1 E th R L R th 15

16 Σημείο λειτουργίας I D I S V D nvt ( e 1) i D Eυθεία φορτίου (Load line) Σημείο ηρεμίας ή λειτουργίας Q i D = - (1/ R L ) υ D + V 1 / R L υ D 16

17 Ανάλυση μικρού σήματος υ D V 1 i D Vs R L 17

18 Σημείο ηρεμίας ή λειτουργίας i D Eυθεία φορτίου (Load line) Σημείο ηρεμίας ή λειτουργίας Α Q Β υ D 18

19 Δυναμική αντίσταση της διόδου I D I S V D nvt ( e 1) g d di dv D 1 nv T I S e VD nv T 1 nv T I D r d dv di D nv I D T V T = kt/q = 26 mv (για Τ= Κ) n = 1 για το γερμάνιο 2 για το πυρίτιο (για διακριτά εξαρτήματα) 19

20 Ανάλυση μικρού σήματος Ανάλυση μικρού σήματος 20

21 Ευθεία φορτίου στο εναλλασσόμενο (AC) υ D C V 1 i D V s R R L Ι D = - (1/ R) V D + V 1 / R DC i D = - (1/ (R//R L )) υ D + υ ολ. / (R//R L ) AC 21

22 Ανάλυση μεγάλου σήματος i D Eυθεία φορτίου (Load line) Σημείο ηρεμίας ή λειτουργίας Q υ D 22

23 Κύκλωμα απλής ανόρθωσης υ D i D Vs R L Vs V R 23

24 Παράδειγμα με ιδανικές διόδους (1/3) Ι=; V=; i D ma 0 υ D V Έστω ότι οι δίοδοι άγουν. V B = 0 = V I D2 = 10/10 = 1 ma I R5kΩ = 10/5 = 2 ma Αρα Ι+1=2 ma I = 1 ma H αρχική υπόθεση ήταν σωστή. 24

25 Παράδειγμα με ιδανικές διόδους (2/3) i D ma Ι=; V=; 0 υ D V Έστω ότι οι δίοδοι άγουν. V B = 0 = V I D2 = 10/5 = 2 ma I R10kΩ = 10/10 = 1 ma Αρα Ι+2=1 ma I = -1 ma Αδύνατον! Αρα η αρχική υπόθεση ήταν λάθος. 25

26 Παράδειγμα με ιδανικές διόδους (3/3) Ι=; i D ma V=; 0 υ D V Έστω ότι μόνο η D2 άγει. I D2 = 20/15 = 1.33 ma V B = = 3.3 V Άρα πράγματι η D1 είναι ανάστροφα πολωμένη. Τελικά Ι = 0 και V= V B = 3.3 V 26

27 Κύκλωμα «ψαλιδισμού» Vin R1 Ιin D1 D2 Vout R2 id ma V1 V2 0 0,7 υ D V R 1 = R 2 = 10 kω, V 1 = 2,1V, V 2 = 2,1V V οut = f(v in ), Ι in = f(v in ), για 10V V in 10V V out (V) I in (ma) 0,72 2, ,6 0-2,8 5,6 10 Vin (V) 0, ,6 0 5,6 10-0,28-0,72 Vin (V) 27

28 Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Χατζόπουλος Αλκιβιάδης. «, Ημιαγωγική δίοδος». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 28

29 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά - Μη Εμπορική Χρήση - Όχι Παράγωγα Έργα 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο [1] 29

30 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος ενότητας Επεξεργασία: Σβάρνα Κωνσταντίνα Θεσσαλονίκη, χειμερινό εξάμηνο

31 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Σημειώματα

32 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.