Diodi - MyCourses
Transcription
Diodi - MyCourses
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)