OpisNTW2.doc

(109 KB) Pobierz
Wstęp

Warszawa 14.03.2010 r.

 

NAUKI TECHNICZNE WYKŁAD 2

Półprzewodnikowe elementy i przyrządy elektroniczne, stanowią jedną z najistotniejszych grup elementów, bez której byłby niemożliwy szybki rozwój elektroniki sygnałowej i energoelektroniki. W elektronice sygnałowej przełomowe znaczenie maja lata 1961, 1965, 1971 kiedy to kolejno uruchomiono na skalę przemysłową produkcję cyfrowych układów scalonych, wzmacniaczy operacyjnych oraz mikroprocesorów. Szybki rozwój energoelektroniki zainicjowało opracowanie wielowarstwowych struktur elementów półprzewodnikowych. W 1957 roku zbudowano tyrystor, a w 1982 tranzystor bipolarny z izolowana bramką (IGBT-Isulated Gate Bipolar Transistor).

Zakres tematyczny niniejszego wykładu obejmuje omówienie właściwości i charakterystyk roboczych podstawowych elementów półprzewodnikowych bezzłączowych o efekcie objętościowym i powierzchniowym oraz elementów jednozłączowych i wielozłączowych

 

Elementy bezzłączowe można podzielić na dwie grupy: elementy o efekcie objętościowym oraz elementy o efekcie powierzchniowym.

Do grupy elementów o efekcie objętościowym zalicza się między innymi:

Rezystor półprzewodnikowy

Termistory

Warystory

Fotorezystory

Piezorezystory

Magnetorezystory

Hallotrony

Rezonatory piezoelektryczne, a do grupy elementów o efekcie powierzchniowym:

Tranzystory z izolowaną bramką

 

Rezystor półprzewodnikowy. Jednym z podstawowych elementów każdego obwodu elektronicznego jest rezystor. W monolitycznych układach scalonych wytwarzanych na bazie kryształu krzemu także rezystory są wykonane z półprzewodnika. Ponieważ rezystywność półprzewodnika odpowiednio domieszkowanego jest opisana zależnością

\displaystyle \rho=\frac{1}{e(n\cdot \mu_n+p\cdot \mu_p)}

to jej wartość może być w czasie trwania procesu technologicznego odpowiednio uformowana przez dobór koncentracji i rozkładu domieszek. W ten sposób w warstwie półprzewodnika samoistnego o dużej rezystywności można wytworzyć ścieżkę o wymaganej przewodności. Jeżeli ścieżka ma wymiary długość – l, szerokość – a oraz grubość – h to rezystancja warstwowego rezystora półprzewodnikowego jest równa:

\displaystyle R=\rho \frac{l}{h\cdot a}

Grubość – h ścieżki rezystora wykonanego w konkretnym procesie technologicznym jest stała, zatem rezystancja rezystora zależy oprócz rezystywności ρ także od długości i szerokości wykonanej ścieżki.

\displaystyle R_0=\rho \frac{l}{a}

gdzie \displaystyle R_0= \frac{\rho}{h}- rezystywność powierzchniowa warstwy.

Wartość R_0\,jest stała dla danego procesu technologicznego i w zależności od domieszkowania waha się w zakresie 50 ÷ 250 \Omega\,. Istotne znaczenie praktyczne ma także kształt ścieżki. Często rezystory półprzewodnikowe wykonuje się w postaci meandra co pozwala ograniczyć powierzchnię, którą zajmują oraz zmniejszyć ich indukcyjność własną.

Termistor to opornik, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury.
Rozróżnia się następujące rodzaje termistorów:

·         NTC - o ujemnym współczynniku temperaturowym - wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji,

·         PTC - tak zwany pozystor, ma dodatni współczynnik temperaturowy - wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji

·         CTR - o skokowej zmianie rezystancji

Jest wykorzystywany szeroko w elektronice jako czujnik temperatury, m.in. w układach kompensujących zmiany parametrów obwodów przy zmianie temperatury, w układach zapobiegających nadmiernemu wzrostowi prądu.

 

Termistor to elementami półprzewodnikowymi nieliniowymi, w których rezystancja nie jest wielkością stałą lecz zmienia się w zależności od temperatury.

Wyróżnia się trzy podstawowe typy termistorów:

·         termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji NTC (NTC – Negative Temperature Coefficent),

·         termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji PTC (PTC – Positive Temperature Coefficent) oraz

·         termistory o skokowej zmianie rezystancji CTR (CTR – Critical Temperature Resistor).

Rezystancja termistora NTC zmniejsz się ze wzrostem temperatury zgodnie z zależnością

\displaystyle R_T=A\cdot e^{\displaystyle \frac{B}{T}}

gdzie A i B stałe materiałowe, T temperatura bezwzględna (K).

W praktyce najczęściej znana jest znamionowa rezystancja termistora podana dla wzorcowej temperatury t_0 = 25^\circ Cdlatego korzystniej jest wyrugować ze wzoru stałą A.

Ponieważ

\displaystyle R_{T0}=A\cdot e^{\displaystyle \frac{B}{T_0}}

to po wyliczeniu A i wstawieniu do zależności

\displaystyle R_T=A\cdot e^{\displaystyle \frac{B}{T}}otrzymujemy \displaystyle R_T=R_{T_0}\cdot e^{\displaystyle (\frac{B}{T}-\frac{B}{T_0})}

Temperaturowy współczynnik rezystancji termistora definiowany następująco

\displaystyle d_T\left[\frac{\%}{C}\right]=\frac{1}{R_T}\frac{dR_T}{dT}

jest dla termistorów typu NTC ujemny i zawiera się w przedziale wartości od -3,5 do -6.

Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora NTC jest także nieliniowa. W zakresie małych prądów przebiega liniowo (tak jak w zwykłym liniowym rezystorze), ale już dla prądów większych od I_{max}\,, pomimo zwiększenia wartości prądu płynącego przez termistor NTC napięcie na jego zaciskach zmniejsza się. Jest to efekt samo podgrzewania się elementu, które powoduje zmniejszanie się jego rezystancji.

Termistory stosuje się jako czujniki temperatury w układach termoregulacji, w klimatyzacji, chłodnictwie, wentylacji oraz układach automatycznej regulacji.

Warystor często nazywany jest rezystorem VDR (Voltage Dependent Resistor) zmniejsza rezystancję, gdy napięcie na jego zaciskach rośnie. Charakterystyka prądowo-napięciowa warystora jest opisana zależnością

U=A\cdot I^{\displaystyle\beta}

A – stałam materiałowa, \beta\,– współczynnik nieliniowości. Stałe A i \beta\,zależą od rodzaju materiału półprzewodnikowego, technologii wykonania i rodzaju warystora. W praktyce warystory mają konstrukcję walcową lub dyskową i są stosowane do ochrony przepięciowej, ograniczania i stabilizacji napięcia oraz w układach automatyczne regulacji.

Typowym parametrem warystora jest napięcie stabilizacji podawane dla typowej wartości prądu przewodzenia np. 1, 10, 100 mA. Ponadto podaje się dopuszczalną moc strat lub częściej energię impulsu przepływającego przez warystor prądu.

Warystor (varistor) - urządzenie elektryczne, ochronnik przepięciowy o nieliniowej charakterystyce rezystancji, zależnej od wartości przyłożonego doń napięcia.
Warystory wytwarzane są metodą spiekania sprasowanych proszków tlenków cynku i bizmutu.

Zastosowanie

·         Głównie zabezpieczanie urządzeń przed przepięciami.

·         Warystory są ochronnikami przepięciowymi i wysokonapięciowymi (w telewizorach).

·         Stosowane są również do ochrony linii wysokiego napięcia.

·         Służą jako odgromniki.

·         Służą też jako pewnego rodzaju zabezpieczenie styków transformatorów.

 

Fotorezystor nazywany także rezystorem LDR (Light Dependent Resistor) zmienia rezystancję pod wpływem światła (zarówno w zakresie promieniowania widzialnego jak i niewidzialnego). Poprzez oświetlanie fotorezystora powstają w nim dodatkowe nośniki ładunku, wskutek czego jego rezystancja maleje. Tzw. rezystancja ciemna (bez oświetlenia) jest zwykle równa kilka M\Omega\,, zaś rezystancja jasna, przy określonym natężeniu oświetlenia jest zwykle mniejsza niż 1\,k\Omega\,.

Charakterystyki prądowo-napięciowe fotorezystora to pęk prostych przechodzących przez początek układu współrzędnych o nachyleniu zależnym od wartości strumienia świetlnego \phi\,. Można je opisać równaniem

I=I_c+I_F=(G_c+\Delta G)U

gdzie

I_c\,– prąd ciemny

I_F\,– prąd fotoelektryczny

G_c\,– konduktancja ciemna

\Delta G\,– przyrost konduktancji pod wpływem oświetlenia.

 

Fotorezystor jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora.
Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja). Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nazywamy prądem fotoelektrycznym. Jego wartość zależy od natężenia oświetlenia i jest określona zależnością.

 

 

Piezorezystor to element, którego rezystancja zależy od siły nacisku, jaki wywierany jest w osi poprzecznej elementu. Często zastępuje, w przypadku niewielkich odkształceń, klasyczny tensometr wykonany ze stopu oporowego. Czułość piezorezystora jest definiowana jako

\displaystyle k=\frac{\displaystyle\frac{R}{R_0}}{\displaystyle\frac{I}{I_0}}

gdzie

R\,– rezystancja płytki po przyłożeniu siły,

R_0\,– rezystancja początkowa (bez działania siły)

l\,– długość płytki po przyłożeniu siły

l_0\,– początkowa długość płytki (bez działania siły)

Czułość piezorezystora jest bardzo duża 20-200, podczas gdy tensometr oporowy ma czułość tylko 2-6. Piezorezystory stosuje się jako czujniki w pomiarach sił oraz naprężeń statycznych i dynamicznych.

Magnetorezystor nazywany także gaussotronem to rezystor o rezystancji zależnej od pola magnetycznego, w którym go umieszczono. Zależność rezystancji od indukcji magnetycznej opisana jest wzorem

\displaystyle R_B=R_0\cdot \frac{\rho_B}{\rho_0}\cdot f(\mu, B, a, b)

gdzie R_0, \rho_0– rezystancja i rezystywność elementu przy B = 0\, T

R_B , \rho_B– rezystancja i rezystywność elementu przy B \neq 0\, T

f(\mu, B, a, b)– funkcja zależna od indukcji magnetycznej B i parametrów płytki: wymiarów a, b oraz ruchliwości nośników większościowych \mu\,.

Podstawową charakterystyką magnetorezystora jest zależność R_B = f(B). Magnetorezystory są wrażliwe na temperaturę co oznacza, że mają duży temperaturowy współczynnik rezystancji. Najczęściej nie należy przekraczać temperatury pracy płytki, 95^\circ C. Typowe zastosowanie magnetorezystorów to czujniki do pomiaru indukcji magnetycznej, mocy i skutecznej wartości prądów odkształconych.

Hallotrony są wykonane najczęściej w postaci płytek w kształcie krzyża z litych materiałów półprzewodnikowych lub z płytek mikowych z naparowanym półprzewodnikiem (Ge, InSb, InAs). Często wytwarza się je w technologii hybrydowych układów scalonych w jednej obudowie ze wzmacniaczem operacyjnym. Tego typu układy są szczególnie przydatne do pomiarów i badań pól magnetycznych, wielkości elektrycznych i nie elektrycznych oraz jako elementy mnożące i modulatory sygnałów wolnozmiennych. Właściwości elektryczne hallotronu opisują rodziny charakterystyk statycznych: przejściowych i wyjściowych.

Charakterystyki statyczne przejściowe to funkcje zmian napięcia Halla U_y\,od parametru sterującego: poprzecznego pola magnetycznego B_z\,lub prądu przewodzenia I_x\,. Charakterystyki statyczne wyjściowe to funkcje zmian napięcia Halla U_y\,od prądu obciążenia I_y\,przy stałych parametrach sterujących B_z\,, I_x\,.

Rezonatory piezoelektryczne wykorzystują zjawisko piezoelektryczne, które jest zjawiskiem odwracalnym. Polega ono na tym, że w krysztale półprzewodnikowym występują jednocześnie zjawiska elektryczne i mechaniczne. Podczas odkształcania kryształu w kierunku osi y towarzyszy pojawienie się w osi x napięcia elektrycznego i odwrotnie przyłożenie napięcia w osi elektrycznej spowoduje pojawienie się naprężenia mechanicznego i odkształcenie kryształu w osi mechanicznej. Na rysunku pokazano działanie siły ściskającej F, deformację komórki sieci krystalicznej i przesunięcie jonów powodujące powstanie dipola elektrycznego.

Podstawowym materiałem do budowy rezonatorów piezoceramicznych jest kwarc.

Jeżeli płytka kwarcowa jest zasilana napięciem zmiennym (powstaje zmienne pole elektryczne) o odpowiedniej częstotliwości to zaczyna ona drgać mechanicznie z częstotliwością rezonansową zależną od wymiarów geometrycznych i właściwości mechanicznych płytki. Amplituda drgań jest w tym wypadku znacznie większa od odkształceń jakie powstają, gdy częstotliwość napięcia zasilającego jest odstrojona od częstotliwości rezonansowej płytki. Drgający rezonator kwarcowy można traktować jak obwód rezonansowy. Poza rezonansem stanowi kondensator o pojemności zależnej od wymiarów geometrycznych płytki oraz powierzchni metalizowanych wyprowadzeń. Cechą charakterystyczną rezonatorów piezoelektrycznych jest stałość częstotliwości drgań rezonansowych w pewnym zakresie temperatur oraz powolne zmiany starzeniowe, dlatego stosuje się je często do budowy generatorów sinusoidalnych i filtrów pasmowych.

 

...

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin