1. No category

Sähkötekniikka ja elektroniikka
Kimmo Silvonen (X)
2.11.2015
Diodi ja puolijohteet
Luento 2.11.2015
Ï
Ideaalidiodi = kytkin
Ï
Puolijohdediodi = epälineaarinen vastus
Ï
Sovelluksia, mm. ilmaisin ja LED, tasasuuntaus viimeis. viikolla
Ï
Pii ja doping eli seostus epäpuhtauksilla
Ï
pn-liitos
Ï
Päästösuunta vs. estosuunta
Ï
Elektroniikka on epälineraarista ⇒ iterointi
Ï
D.C. vs. signaali, piensignaali-approksimaatio
Ï
Kaaosteoria ja "Chuan diodi"
Ï
Ensi viikolla: bipolaari- ja kanavatransistorit (BJT ja FET)
Ï
Lisätietoja: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit, 2009
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 2 (24)
Mistä elektroniikka koostuu (s.l.)
Ï
Puolijohdekomponentit:
Ï
Ï
Ï
Diskreetit, esim. Diodi, BJT, FET
Monoliitti-IC, esim. Opamp, CMOS, ASIC
Hybridi-IC, esim. jotkut RF-mikropiirit
Ï
’Passiivit’: R, L, C, siirtojohto, muuntaja, ym.
Ï
Anturi, toimilaite, muutin (sensor, actuator, transducer)
Ï
Näytöt, liitännät, ohjelmistot
@
Diodi
R
@
@
Kanavatransistori (MOS)FET
Transistori BJT
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 3 (24)
Parasiitit, kohina, särö
Elektroniikan komponentit ovat epäideaalisia, loissuureet ovat aina läsnä!
Ideaalinen vastus?
i 6
−
+
ENoise
Epälineaarisuus
-u
Epälineaarisuus tuottaa säröä ja kohinaa syntyy kaikkialla.
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 4 (24)
Ideaalidiodi, cf. Switch
Voidaan mallintaa kytkimellä
@
@
@
anodi katodi
I 6
U I- @
b (b
(
U=0
U
b b
I=0
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 5 (24)
Ideaalidiodi vs. puolijohdediodi (alla)
Päästösuunta/estosuunta. Ideal Diode vs. Semiconductor Diode, forward/reverse.
0 @-
@ 0
Ideal
E
E
0
E
?
r
?
r
bb
f (I)
@I
E
Nonideal
<E
?
E
@ IS
≈0
?
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 6 (24)
LED = loistediodi vs. fotodiodi
Myös laserdiodi (optinen tietoliikenne) ja IR = infrared
Esimerkkinä LED merkkivalona, oikealla fotodiodi:
R
E
I
U @
1,8 V ?
S
w
S
w
7@
7
vrt. kaukosäädin, langaton näppäimistö/hiiri
Ledeillä ja muilla diodeilla sallittu jänniteikkuna on hyvin kapea:
hieman liian pieni U ⇒ ei johda, hieman liian suuri U ⇒ kärähtää!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 7 (24)
Seostettu puolijohde, pn-liitos
Doping, pn-junction, piihin on seostettu heikosti booria tai fosforia
Kovalenttinen sidos
(Si) IV + III (B) = p(Si) IV + V (P) = ntyyppinen puolijohde
tyyppinen puolijohde
c c
c c
c c
c c
c c
"T
"T
"T
"
"
""T
""T
"
"
c
"
c
c
c
c" nT c" nT "
c SinTTc
cT Si TcT Si TT
c SinTTT
c SinTTT
T
T
T
T
T
"
"
"
"
"
"c
T"
c "c
T"
c"
c
T"
T"
c "c
Tc"
c"
c
"
"
"
"
"
"
" T
" T
" T
"
"
"
c c T c
"
c
c
c" T "
c
n
T
n
T
n
T
n
T
c PnTTc
c Si TT
c Si TT
cTT B TTT Si TT
"
"T
"T
"T
"
"c
T"
c "c
T"
c"
c
T"
c"
c
T"
c "c
Tc"
Akseptori
Donori
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 8 (24)
Päästösuunta, Forward Bias
Tyhjennysalue Depletion Region decreases due to the forward Voltage
n = elektronit, p = aukot
tyhjennysalue kapenee
anodi pp
pp
pp
pp
pp
pp
pp
pp
n n nn katodi
n n nn
n n nn
n n nn
@I
+
I
UF
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 9 (24)
Estosuunta, Reverse Bias
Depletion Region increases, but a small Saturation Current leaks
Saturaatiovirta IS (estosuuntainen vuotovirta)
ei juuri riipu jännitteestä ⇒ ’kyllästysvirta’
tyhjennysalue levenee
pp
pp
pp
pp
p
p
p
p
n nn
n nn
n nn
n nn
vuotovirta IS
@ IS
+
IS
UR
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 10 (24)
Puolijohdediodi, pn-liitos
Semiconductor Diode, pn-junction; 0,7 V (vrt. lab.)
p
I
6
q
q
q
1 mA
q q q
U
qqqqqqqqq
HH 0,7 V
HH
H
HH
H
U I- @
n
anodi katodi
I
6
1 nA
q
H
j
q
q q q q q q q q q q
−IS
q
q
q
U
-
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 11 (24)
Ominaiskäyrä i = f (u), Einsteinin yhtälö (UT )
Characteristic Curve
Epälineaarinen vastus
I = IS (e
UT =
U
nUT
U - @
I

U

 IS e nUT
− 1) ≈
0


IS (−1)
kT
≈ 25 mV
q
’Lämpöjännite’
U >> nUT
U≈0
U << 0
q = 1,60 · 10−19 As
Alkeisvaraus
k = 1,38 · 10−23
J
K
’Boltzimiehenn’ vakio
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 12 (24)
Emissiokerroin n ≈ 2 (Diode), n ≈ 1 (BJT)
Emission Coefficient, Ideality Factor
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 13 (24)
Epälineaarinen yhtälö
Nonlinear Equation
U @
I
R
E
RI
?
?
U = E − RI
U
U = E − RIS (e nUT − 1)
Newton-Raphson-iterointi:
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 14 (24)
Iterointi
Kokeillaan eri U :n arvoilla
E = 10 V, R = 1 kΩ, IS = 1 nA, n = 2, UT = 25 mV
U
U /V
U ≈ E − RIS e nUT /V
0,7
8,80
>> 0,7
0,8
1,11
> 0,8
0,81
−0,85
< 0,81
0,802
0,75
≈ 0,80
0,801727
0,802 ⇒
I=
U ≈ 0,802 V
E−U
≈ 9,198 mA
R
U
I = IS (e nUT − 1) ≈ 9,249 mA
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 15 (24)
Tasavirta ja signaali DC vs. signal
Kansainvälinen merkintäsopimus (IEC): total u or i = DC + pure signal
Tasavirta: iso kirjain, iso alaindeksi: UD = RD ID
Signaali: pieni kirjain, pieni alaindeksi: ud = rd id
Kokonaisvirta: pieni kirjain, iso alaindeksi:
uD = U D + ud
iD = ID + id
ud = ∆uD
UD = uAVE
ID = iAVE
id = ∆iD
IEC = International Electrotechnical Commission
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 16 (24)
Toimintapiste ja staattinen resistanssi
Operating Point Q, static (DC) Resistance RD
uD = UD = UQ = RD ID
UD
iD = ID = IQ = IS (e nUT − 1)
iD
6
s
s
s
ID
Q = quiescent
s
s
s
s
s
uD
s s s s s s s s
UD
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 17 (24)
Dynaaminen resistanssi, muutos käyrällä
Dynamic (ac) Resistance near the Operating Point
uD
iD = IS (e nUT − 1)
iD
6
ID
s s s s s s s s
s
s
s
rd =
∆uD nUT
≈
∆iD
ID
s
s
s
∆iD
s
∆uD
s
uD
UD
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 18 (24)
Piensignaalianalyysi
Small-Signal Analysis
Ï
Signaalin käyttäytyminen epälineaarisisissa komponenteissa
Ï
Käyrän linearisointi toimintapisteessä; siksi ’vain’ pien. . .
Ï
Lineaarisilla komponenteilla, kuten R, ei ole eroa ’pien’ vs. ’suur’
Ï
DC-lähteitä ei oteta huomioon, nollataan
Ï
Esim. vahvistimen vahvistus ja tuloresistanssi lasketaan
piensignaalianalyysillä
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 19 (24)
Tasajännitteen päällä ratsastava signaali
Little red signal riding on a smooth d.c.
uA
ua
6
UA
6
@
@
@
@
@
@
@
@
t
-
t
UA
6
t
-
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 20 (24)
Hyvin suuri – keskisuuri – hyvin pieni taajuus
Taajuusalueapproksimaatiot ja komponenttien käsittely
f
f
1
jωC
ωC = ∞
D.c.-lähteiden nollaus
Linear
RS = ∞
6
d.c.
ωC = 0
jωL
ωL = ∞
RS = 0
f
R
ωL = 0
Epälin.
rd
Signaalilähteet
+
a.c.
−
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 21 (24)
Tasavirta- vs. piensignaalianalyysi
DC vs. Small Signal Analysis
Signaali läpäisee tasajännitelähteen ja ison kondensaattorin.
Epälineaarinen komponentti näkyy dynaamisen resistanssin
määräämänä vastuksena rd (approksimaatio).
d.c.
@
uD
∞
+
a.c.
−
?
rd
ud
+
a.c.
−
?
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 22 (24)
Zenerdiodi, Voltage Reference for small IOUT
I
6q
q
q
−UZ
qq
qq q q q q q q q q q q q q q −IS
qq
−IN
q
q
q
U
6
U
@
@
6I
-
Jännitereferenssi
(pieni IOUT )
E
@
-
R
UZ
r b
IOUT
@
?
I≥I
UZ
N
RL
?
b E ≥ R (IOUT + IN ) + UZ
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 23 (24)
Chua’s Circuit, Butterfly Effect
Yksinkertaisin mahdollinen kaoottisesti toimiva piiri, ks. chua-circuit.i.txt
Yleinen kaaosteorian testialusta.
Vasemmalla Chuan diodi (negatiivista resistanssia sisältävä
epälineaarinen komponentti, joka tosin ei ole diodi).
Nopassa APLAC-netlist, piirrä(n) y = u2 vs. x = u1 !
P
P
PP
P
R
u1
C1
UC0
C2
u2
L
?
?
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
2.11.2015
Page 24 (24)