Fysikk og teknologi - Elektronikk Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

Transkript

1 14. Jan 06 Den nye læreplanen i fysikk Fysikk og teknologi - Elektronikk Mål for opplæringen er at eleven skal kunne 1. gjøre rede for forskjellen mellom ledere, halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell, og forklare doping av halvleder. 2. sammenligne oppbygningen og forklare virkemåten til en diode og en transistor, og gi eksempler på bruken av dem. 3. gjøre rede for virkemåten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video. 4. gjøre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres, og hvordan sensorenes egenskaper setter begrensninger for målinger. Torfinn Lindem Dombås 2007

2 Fysikk og teknologi Elektronikk 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 = I = U / I og P = U I 2 ) Kirchhof lover om distribusjon av strømmer og spenninger i en krets 3 ) Thevenins teorem 4 ) Superposisjonsprinsippet

3 Fysikk og teknologi - Elektronikk Det var en gang 13. februar Thomas A. Edison Problem : Glasset i lyspæra blir svart pga. kullpartiker 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

4 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. ( Husk - Elektronet ble først påvist av J.J. Thomson i 1897 ) Anode + + Glødetråd -e Katode - E-felt

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

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

7 Fysikk og teknologi - Elektronikk Det var en gang (TIODEN, Lee de Forest ) 1948 ( TANSISTOEN, Shockley, Bardeen og Brattein )

8 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. i 1 + i 2 + i 3 + i 4 + i 5 = 0 i 1 i 2 1 i i 1 = i 2 + i 3 i 1 i 2 i 3 i 4 i 5 i 1 + i 2 + i 3 = i 4 + i 5 Lindem Kirchhoff s Voltage Law (KVL) Summen av alle spenninger i en lukket sløyfe summert i en retning er null.. V 1 V 2 V B + V 1 + V 2 + V 3 = 0 V B = V 1 + V 2 + V 3 V B i V 3

9 Litt kretselektronikk Serie- og parallellkopling av motstander T = T 1 = T 1 2 n 1 2 Spenningsdeler T 1 T = V B 1 2 Spenningen ut fra en spenningsdeler bestemmes av størrelsesforholdet mellom motstandene 1 og 2 V UT = V B

10 Thevenin Ethvert lineært, topolet nettverk virker utad som om det var en spenningsgenerator 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 V TH TH 1 2 V B 3

11 Thevenin Complex linear circuit V TH TH V B V TH = V B TH = ( ) 3 ( 1 + 2) TH = ( + )

12 Superposisjonsprinsippet : Summer bidragene fra hver enkelt signalkilde 1 kω 1 kω 15 volt 3 volt 1 1 kω Hvor stor er spenningen over 1? 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 1 1 kω 1 k 1 k 1 1 k V 1 = 1 volt 3 volt 3 v 1 kω 1 kω 1 1 kω 1 k 1 k 1 1 k V 1 = 5 volt 15 volt 15 v V 1 = 5 volt + 1 volt = 6 volt

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

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

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

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

17 Elektronikk - introduksjon Elektriske isolatorer, halvledere og ledere (metaller) Elektrisk leder (metall) : ca elektroner / cm 3 Halvleder : ca elektroner / cm 3 Isolatorer : ca 10 elektroner / cm 3 Antall frie elektroner i ledningsbåndet varierer med temperaturen. For Silisium (Si) 25 o C = elektr / cm 3 ved 100 o C elektr /cm 3 Husk at 1 Ampere = 6, elektroner pr. sekund

18 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. 18

19 Halvledere - Silisium (Si) og Germanium (Ge) 4 valenselektroner Silisium (Si) Germanium (Ge) 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

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

21 Halvledere - Silisium (Si) og Germanium (Ge) Ved tilførsel av varme kan det dannes et electron-hole pair. Et elektron som løftes opp fra valensbåndet til ledningsbåndet er et fritt elektron som kan delta i ladningstransport. 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? Planck w = h f h = 4,14 10 evs = 6,63 10 Js h c w ( si ) = 1,1eV h f > w g f = c λ λ < λ < 1, 1 w g µ g m

22 Halvledere - Silisium (Si) og Germanium (Ge) - + 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) 22

23 Elektronikk - introduksjon Silisium (Si) og Germanium (GE) - Halvledere Doping = tilførsel av fremmedelementer N-dopet med donor-atom P-dopet med akseptor-atom Ioniseringsenergi 0,05eV for P (fosfor) Donoratom Sb = antimon - har samme antall valenselektroner som fosfor P