Elektronika pro informační technologie (IEL) Třetí laboratorní cvičení Brno University of Technology, Faculty of Information Technology Božetěchova 1/2, 612 66 Brno - Královo Pole
[email protected]
2016/2017
Základní informace • Můj profil: http://www.fit.vutbr.cz/~inecasova • Kancelář: A221 • Konzultační hodiny: po domluvě emailem • Osobní stránky
IEL cvičení 3
2
Obsah • Polovodičová dioda • Úvod do problematiky • Měření V-A charakteristiky diody • Logický součet a součin v diodové logice
IEL cvičení 3
3
POLOVODIČOVÁ DIODA
IEL cvičení 3
4
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
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
Fyzikální princip PN přechodu • Typ N: elektronová vodivost, příměs o 1 el. více • Příklad: 5-mocný fosfor (P) – 5 elektronů ve valenční vrstvě
7
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
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
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
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
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
Fyzikální princip PN přechodu • Příměsi s 5 valenčními elektrony (např. fosfor) • Donory: dodávají do krystalu křemíku volné elektrony
IEL cvičení 3
13
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
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
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
PN přechod – napětí nepřipojeno • Rozhraní materiálů P a N hradlová vrstva (potenciálová bariéra)
IEL cvičení 3
17
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
PN přechod v závěrném směru • Připojeno vnější napětí • Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče N přitahuje elektrony (-)
IEL cvičení 3
19
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
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
PN přechod v propustném směru • Připojeno vnější napětí • Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče P odpuzuje díry (+)
IEL cvičení 3
22
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
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
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
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
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
VA charakteristika charakteristika diody • Si – otevírá se při UD=0,4V, otevřená je při UD=0,5V – průraz cca při cca 300V
IEL cvičení 3
28
PŘEHLED VYBAVENÍ
IEL cvičení 3
29
Nepájivé pole • V bodované části budete pracovat s nepájivým polem, měřit budete pomocí multimetru • Nepájivé pole – sloupce jsou vodivě propojeny! • Izolační žlábek ukončuje vodivé propojení sloupce
Sloupce
Izolační žlábky
Řádky IEL cvičení 3
30
Multimetr Nastavit vždy před přivedením napájecího napětí!!
DCV stejnosměrné napětí
DCA stejnosměrný proud
Ω odpor Test vodiče Zem (GND)
Měření (U, I, R)
IEL cvičení 3
31
Zelený přípravek
LED diody (K, A)
Tlačítka Potenciometry
IEL cvičení 3
32
Nové vybavení – diody červená
černá
IEL cvičení 3
33
ÚKOL 1 V-A CHARAKTERISTIKA DIODY IEL cvičení 3
34
V-A charakteristika diody • Postup zapojení
IEL cvičení 3
35
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
ÚKOL 2 LOGICKÉ OPERACE AND, OR V DIODOVÉ LOGICE IEL cvičení 3
37
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
Reference • [1] Webové stránky cvičení IEL, dostupné online z: https://www.fit.vutbr.cz/study/courses/IEL/priv ate/labs/.cs
IEL cvičení 3
39
Děkuji Vám za pozornost!
ÚKOL DIODOVÝ USMĚRŇOVAČ IEL cvičení 3
41
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
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
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
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
