Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210

Presentasjon om: "Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210"— Utskrift av presentasjonen:

1 Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210
Lindem 29 jan. 2008 Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210 Komponentlære Kretselektronikk Elektriske ledere/ halvledere Doping Dioder - lysdioder Bipolare transistorer Unipolare komponenter FET, MOS, CMOS Digitale kretsfamilier Operasjonsforsterkere Tilbakekopling Analog computing Frekvensrespons Bodeplot Digital til analog D/A Analog til digital A/D Signalgeneratorer Signalbehandling Radiokommunikasjon GSM Antenner Kraftforsyning Måleteknikk Sensorer FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

2 Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210
Lærebok Electronics Technology Fundamentals Robert Paynter & B.J.Toby Boydell Gammel bok fra FYS108/204 Microelectronics Jacob Millman & Arvin Grable FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

3 Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210
14. Jan 06 Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210 Oppgave # 1 – komme à jour med den nye læreplanen i fysikk FYSIKK 1 Fysikk og teknologi - Elektronikk Mål for opplæringen er at eleven skal kunne gjøre rede for forskjellen mellom ledere, halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell, og forklare doping av halvleder. sammenligne oppbygningen og forklare virkemåten til en diode og en transistor, og gi eksempler på bruken av dem. gjøre rede for virkemåten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video. gjøre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres, og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for målinger.

4 Fysikk og teknologi – Elektronikk FYS 1210
Skal vi forstå moderne elektronikk - må vi først beherske elementær lineær kretsteknikk - og litt om passive komponenter - motstander, kondensatorer og spoler 1 ) Det betyr kjennskap til Ohms lov : U = R · I og P = U · I 2 ) Kirchhof ”lover” om distribusjon av strømmer og spenninger i en krets 3 ) Thevenins teorem 4 ) Superposisjonsprinsippet - og når kurset er ferdig skal vi kunne se at dette er en tegning av en FM-stereo sender !

5 Det var en gang … 13. februar 1880 - Thomas A. Edison
Fysikk og teknologi - Elektronikk Det var en gang … februar Thomas A. Edison Problem : Glasset i lyspæra blir svart pga. kullpartikler som sendes ut fra glødetråden Edisons forslag til løsning : ---, if the carbon particles are charged, - it should be possible to draw them to a separate electrode, - away from the glass. -- Furthermore, - it should be possible to measure the electric current to this electrode. - February 13, 1880

6 Det var en gang … sommeren 1880 - Thomas A. Edison
Fysikk og teknologi - Elektronikk Det var en gang … sommeren Thomas A. Edison Lampeglasset forble svart – men Edison observerer at - når Anoden er positiv - går det en strøm gjennom den ytre kretsen. Det betyr , - en negativt ladet partikkel må bevege seg fra Katode til Anode. Fenomenet får navnet ”Edison effekt” . Glødetråd E-felt + -e Anode + Katode - ( Husk - Elektronet ble først påvist av J.J. Thomson i 1897 )

7 Det var en gang - 24 år etter Edison - i 1904 - J.A. Fleming
Fysikk og teknologi - Elektronikk Det var en gang - 24 år etter Edison - i J.A. Fleming Fleming patenterer sin ”rectifying valve”. R AC + DC +/- En vekselspenning tilføres Anoden – på Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet Anode Katode I dag erstattes Flemings ”rectiying valve” med en halvleder-diode Anode Katode Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet

8 Fysikk og teknologi - Elektronikk
The Edison Effect – og utviklingen videre… Diode Fleming 1905 Lee de Forest 1907 / 08 Triode

9 Fysikk og teknologi - Elektronikk
1908 (TRIODEN, Lee de Forest ) – 1948 ( TRANSISTOREN, Shockley, Bardeen og Brattein )

10 Litt kretselektronikk
Ohms lov, Kirchhoff og Thevenin’s ”setninger” + superposisjonsprinsippet Kirchhoff’s Curren Law (KCL) : Summen av strømmene inn til et knutepunkt = summen av strømmene ut fra knutepunktet. i1 + i2 + i3 + i4 + i5 = 0 i1 = i2 + i3 R1 R2 R3 i1 i2 i3 Kirchhoff’s Voltage Law (KVL) Summen av alle spenninger i en lukket sløyfe – summert i en retning er null.. VB + V1 + V2 + V3 = 0 VB = V1 + V2 + V3 VB V1 V2 V3 i

11 Litt kretselektronikk
Serie- og parallellkopling av motstander R3 R2 R1 RT Spenningsdeler R1 R2 VB Spenningen ut fra en spenningsdeler bestemmes av størrelsesforholdet mellom motstandene R1 og R2

12 Thevenin Ethvert lineært, topolet nettverk virker utad som om det var en spennings-generator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer, - og med en indre motstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) når alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre strømkilder er brutt. Complex linear circuit RTH VTH VB R1 R2 R3

13 RTH VTH RTH = ( R1 + R2 ) || R3 Thevenin Complex linear circuit VB R1

14 Hvor stor er spenningen over R1?
Superposisjonsprinsippet : Summer bidragene fra hver enkelt signalkilde Hvor stor er spenningen over R1? 1 kΩ R1 1. Kortslutt først batteriet på 15volt Se på bidraget fra 3volt batteri. 2. Kortslutt batteriet på 3 volt. Se på bidraget fra 15 volt batteri 3. Summer bidragene 1 kΩ 1 kΩ 15 volt 3 volt 3 volt 1 kΩ R1 3 v 1 k R1 VR1= 1 volt 15 v 1 k R1 1 kΩ 15 volt R1 VR1= 5 volt VR1 = 5 volt + 1 volt = 6 volt

15 FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver
Kretselektronikk - Ideell spenningskilde – eller perfekt spenningskilde. Leverer en utgangsspenning som er konstant – uansett hvor mye strøm den leverer.. Reell spenningskilde – utgangsspenningen vil variere med strømmen. Skyldes at alle spenningskilder har en indre motstand RI Lommelyktbatteri – RI ≈ 1Ω Bilbatteri – RI ≈ 0,01 – 0,1Ω FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver

16 Kretselektronikk - Maksimal effektoverføring fra en signalkilde når last-motstanden = kildens indremotstand

17 Elektriske ledere - metaller
Elektronikk - introduksjon Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i ”energi-skall” Bors klassiske atom-modell Det enslige elektronet i ytterste ”skall” er svakt bunnet til kjernen. Ved ”normal” temperatur har vi ca 1 fritt elektron pr. atom - ca 1023 elektroner / cm3

18 Elektriske ledere - metaller
Elektronikk - introduksjon Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i ”energi-skall”

19 Elektriske isolatorer, halvledere og ledere (metaller)
Elektronikk - introduksjon Elektriske isolatorer, halvledere og ledere (metaller) Antall ”frie” elektroner i ledningsbåndet Elektrisk leder (metall) : ca 1023 elektroner / cm3 Halvleder : 108 – 1014 elektroner / cm3 Isolatorer : ca 10 elektroner / cm3 Antall elektroner i ledningsbåndet varierer med temperaturen. For Silisium (Si) 25o C = 2·1010 elektr / cm3 ved 100o C - 2·1012 elektr /cm3 Husk at 1 Ampere = 6,28 · 1018 elektroner pr. sekund

20 Halvledere - Silisium (Si) og Germanium (Ge)
Halvledere som Silisium og Germanium har 4 elektroner i valensbåndet. De danner lett krystallstrukturer hvor de enkelte atomene kopler seg sammen i en regelmessig diamantstruktur. Et atom utveksler elektroner med 4 nabo-atomer og det dannes sterke kovalente bindinger mellom disse atomene. De omkringliggende atomene danner tilsvarende bindinger mot sine naboatomer osv.

21 Halvledere - Silisium (Si) og Germanium (Ge)
4 valenselektroner Valenselektronene til Ge (32) ligger i fjerde skall – for Si (14) ligger de i tredje skall dvs. nærmere kjernen. Det betyr at mindre energi skal til for å ”rive løs” et elektron fra Ge enn fra Si. Blir det for mange termisk eksiterte ladningsbærere kan halvlederkomponenter miste sine spesielle egenskaper. Silisium, Si ”tåler” høyere temperatur enn Ge - og Si er derfor det halvledermaterialet som i dag dominerer produksjon av integrerte kretser. Energien som skal til for å bryte de kovalente bindingene er 1,1 eV for Si og 0,7 eV for Ge

22 Halvledere - Silisium (Si)
Et diagram som viser et rent (intrinsic) Silisium krystall – uten eksiterte atomer. Det er ingen elektroner i ledningsbåndet

23 Halvledere - Silisium (Si)
Ved tilførsel av varme kan det dannes et ”electron-hole pair”. Et elektron løftes opp fra valensbåndet til ledningsbåndet. Elektronet som frigjøres og forlater sitt opprinnelige atom vil etterlate seg et ”hull” – et positivt ladd område. Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder forårsakes av ”termisk” eksiterte elektroner i ledningsbåndet. - Hva med lys ?

24 Halvledere - Silisium (Si)
+ E Når vi setter en spenning over et silisiumkrystall vil de termisk eksiterte elektronene få en rettet bevegelse mot det elektriske feltet. Vi får en elektronstrøm mot den positive elektroden. En annen type strøm vil samtidig oppstå i valensbåndet. Elektronene som forblir i valensbåndet vil være bundet til atomet og kan ikke bevege seg fritt i krystallstrukturen. Imidlertid kan et valenselektron bevege seg til et hull i nærheten – og derved etterlate seg et nytt hull – se figuren over. Hullet har effektivt beveget seg mot venstre (grå pil). En slik ”transport” av hull i halvledere kalles en hullstrøm. (Men husk - det er ingen fysisk transport av positive ladnigsbærere)

25 Doping = tilførsel av ”fremmedelementer”
Elektronikk - introduksjon Doping = tilførsel av ”fremmedelementer” N-dopet med donor-atom 5 elektroner i valensbåndet - ett elektron ”for mye” P-dopet med akseptor-atom 3 elektroner i valensbåndet - mangler ett elektron .. Ioniseringsenergien er 0,05 eV for P (fosfor) - det betyr ett fritt elektron for hvert P- atom