Elektronikk med prosjektoppgaver FYS vår 2009

Transkript

1 Lindem 13 jan 2008 Elektronikk med prosjektoppgaver FYS vår 2009 Viktig informasjon til alle studenter Husk: 1. februar er siste frist for: betaling av semesteravgift semesterregistrering melding til eksamen å søke om tilrettelegging ved eksamen 1

2 Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210 Dersom det ikke står Betalt og Ja under semesteravgift og semesterregistrert risikerer du å ikke få ta eksamen og å miste din studierett Har du problemer, ta kontakt med MN studieinfosenter i Fysikkbygningen / Vilhelm Bjerknes hus FØR 1. februar 2

3 Applied Physics and Electrical Engineering Torfinn Lindem Fysisk inst. UiO Studieprogrammet Elektronikk og Datateknologi ELDAT bilde fra Minlab 3

4 Elektronikk med prosjektoppgaver Komponentlære Kretselektronikk Elektriske ledere/ halvledere Doping Dioder - lysdioder Bipolare transistorer Unipolare komponenter FET, MOS, CMOS FYS 1210 FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver 4

5 Elektronikk med prosjektoppgaver Digitale kretsfamilier Operasjonsforsterkere Tilbakekopling Analog computing Frekvensrespons Bodeplot Digital til analog D/A Analog til digital A/D Signalgeneratorer FYS 1210 FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver 5

6 Elektronikk med prosjektoppgaver Signalbehandling Radiokommunikasjon GSM * Antenner Kraftforsyning Måleteknikk Sensorer FYS 1210 * Globalt System for Mobilkommunikasjon FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver 6

7 14. Jan 06 Den nye læreplanen i fysikk for videregående skole - 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. 7

8 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 8

9 Fysikk og teknologi Elektronikk FYS 1210 Lindem 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 Skjema viser en FM-stereo sender etter FYS1210 skal du kjenne alle disse kretselementene 9

10 Kretsteknikk en gammel historie Lindem 23. April 2008 Det meste av grunnlaget for den elektrisk kretsteknikk ble beskrevet av den tyske fysiker George Simon Ohm i 1827 Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet - En matematisk beskrivelse av den elektriske krets ( Kette lenke, kjede ) U Ohms lov U R I R I I U Den elektriske spenningen R I Den Den elektriske elektriske motstanden strømmen i U R i Volt i Ohm Ampere R T R 1 + R 2 + R 3 1 R T 1 R R R 3 Fysiker George Simon Ohm ( ) 10

11 Kretsteknikk ( Gustav Robert Kirchhoff 1845 ) Kirchhoff s lov om strømmer Summen av strømmene rundt et knutepunkt er null. Strøm inn strøm ut i i2 i3 i4 Kirchhoff s lov om spenninger Summen av av alle spenninger i en lukket sløyfe summert i en retning er null. V V + V + V V BATT BATT + V V V V BATT Batt. R 1 V 1 R 2 V 2 R 3 V 3 Spenningsdeler Spenningen fra en spenningsdeler bestemmes av størrelsesforholdet mellom motstandene R 1 og R 2 Batt. R 2 V BATT R 1 V 2 V 2 R2 R + R 1 2 V BATT 11

12 Kretsteknikk Superposisjonsprinsippet Skal du beregne spenningen over en enkel komponent - inne i et komplekst nettverk Summer bidragene fra hver enkelt spenningskilde. Hvor stor er spenningen over R 1? 1. Kortslutt først batteriet på 15 volt - beregn bidraget fra 3 volt batteri. 2. Kortslutt batteriet på 3 volt beregn bidraget fra 15 volt batteri 3. Summer bidragene - V R1 1 v + 5 v 6 volt 12

13 Kretsteknikk ( Helmholtz 1853 Léon Charles Thévenin 1883 ) Thévenin s teorem Ethvert lineært, topolet nettverk virker utad som om det bestod av en spenningsgenerator med en elektromotorisk spenning lik tomgangsspenningen over nettverkets klemmer, - og med en indremotstand lik den vi ser inn i nettverket (fra klemmene) når alle indre spenningskilder i nettverket er kortsluttet og alle indre strømkilder er brutt... R 1 R 2 R 1 R 2 V B R 3 R 3 V R 3 TH V B R1 + R2 + R3 ( R + R 1 2 R TH ( R1 + R2 ) R3 R1 + R2 + ) R R 3 3 Edward Lawry Norton en utvidelse av Thévenins teorem strømkilde motstand 13

14 Kretsteknikk Spenningskilder - batterier Ideell spenningskilde eller perfekt spenningskilde. Leverer en utgangsspenning som er konstant uansett hvor mye strøm den leverer.. Reell spenningskilde utgangsspenningen vil variere med strømmen. Alle spenningskilder har en indre motstand R S ( Batterier, antenner, signalgeneratorer og nerveceller alle har en indre motstand som vil påvirke strømmen ut fra kilden ) Lommelyktbatteri R I 1-10 Ω Bilbatteri R I 0,01 0,1Ω 14

15 Kretsteknikk Maksimal effektoverføring Lastmotstanden må tilpasses signalkildens indre motstand. Vi får maksimal effektoverføring når lastmotstanden R L kildens indre motstand R I Dette har stor betydning når vi skal overføre signaler f.eks fra en TVantenne til et fjernsynsapparat (dekoderboks) kabel - 60 ev. 240 ohm P 2 U R Et regneeksempel med Excel 10 volt batteri med indre motstand R I 10 ohm finn verdien til R L som gir maksimal effektoverføring P RL MAX Effekt W P RL (U R RL L ) 2 U RL RL R + R L 1 V B 15

16 Hvem fant elektronet? 13. februar Thomas A. Edison arbeider med forbedringer av lyspæra. (.. vi har labjournalen.!. ) Problem : Glasset i lyspæra blir svart pga. kullpartiker som sendes ut fra glødetråden Edison : --- 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 Anode + Katode e + Glødetråd Amp. meter Lampeglasset forble svart men Edison observerer : når elektroden (anoden) er tilført positiv spenning går det en strøm gjennom den ytre kretsen. Det betyr, - en negativt ladet partikkel må bevege seg fra glødetråden til Anoden. Fenomenet får navnet Edison effekt og blir patentert av Edison men man fant ingen direkte anvendelser hvor man kunne bruke dette kommersielt i Patentet blir lagt tilside og glemt ( Elektronet blir først påvist av J.J. Thomson i 1897 ) 16

17 Elektronikk teknologiutvikling i 100 år 24 år etter Edison - i J.A. Fleming patenterer sin rectifying valve. +/- En vekselspenning tilføres Anoden på Katoden gjenfinnes bare de positive komponentene i signalet I dag erstattes Flemings rectiying valve med en halvleder-diode e AC Anode Katode AC AC Halvleder- Diode +/- DC Dioden slipper igjennom de positive halvperiodene av signalet 17

18 Elektronikk teknologiutvikling i 100 år Fleming 1905 Lee de Forest 1907 / 08 18

19 Elektronikk teknologiutvikling i 100 år 1908 ( TRIODEN, Lee de Forest ) fram til ca 1945 utvikles så det meste av det vi i dag kaller moderne kretsteknikk og signalbehandling 1948 ( TRANSISTOREN, William Shockley, Walter Brattein - Nobellprisen 1956 ) Triode-forsterker anno 1908 Transistorforsterker anno volt Forsterket (AC) signalspenning R B Kollektor R K AC Base Emitter En liten signalspenning (AC) sendes inn på gitter som styrer en stor strøm gjennom røret til Anoden. Strømmen gir en forsterket signalspenning over anodemotstanden R A. U R I (Ohms lov) Integrerte kretser mikroelektronikk. 19

20 Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk - elektriske ledere halvledere isolatorer Elektrisk strøm (current) en rettet strøm av ladningsbærere gjennom en ledning 1 Ampere 6, elektroner pr. sekund - Termisk energi (varme) frigjør elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt 20

21 Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk strømtetthet drifthastighet for elektroner 1 Amp går gjennom en aluminiumsledning med diameter 1,0 mm. Hva blir drifthastigheten til elektronene? Aluminium - elektrontetthet n e 6,0 x m -3 1 Ampere 6, elektroner pr. sekund J J v d Strømtetthet I A e I π r 2 J 13, 10 n e I nee v A 1. 0Amp π ( 0, 0005 m ) 3 m / s d 2 13, mm / n e antall 13, 10 s e 6 A / m elektroner 2 v d drifthastigheten Elektronene har en drifthastighet på 1,3 mm/s 21

22 Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk - elektriske ledere halvledere isolatorer Niels Bohrs klassiske atommodell fra Kobberelektronene legger seg i energi-skall Det enslige elektronet i ytterste skall er svakt bunnet til kjernen. Ved normal temperatur finner vi ca 1 fritt elektron pr. atom elektroner / cm 3 22

23 Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk Elektriske ledere - metaller Elektronene legger seg i energi-skall I metallene er energi-gapet mellom valensbåndet og ledningsbåndet minimalt. Ved normal temperatur vil det være overlapp mellom ledningsbånd og valensbånd 23

24 Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk isolatorer halvledere elektriske ledere Antall frie elektroner i ledningsbåndet Elektrisk leder (metall) : ca elektroner / cm 3 Halvleder : ca elektroner / cm 3 Isolatorer : ca 10 elektroner / cm 3 Antall 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 24

25 Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk Silisium (Si) og Germanium (Ge) - Halvledere Både Ge og Si har 4 elektroner i valensbåndet. 4 atomer knyttes sammen ved at de utveksler elektroner med naboatomer hvert atom ser da en konfigurasjon av 8 elektroner. Det dannes sterke kovalenet bindinger mellom disse atomene - som orienterer seg i en krystallstruktur diamantstruktur 25

26 Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk Silisium (Si) og Germanium (Ge) Valenselektronene til Ge ligger i fjerde skall. For Si ligger de i tredje skall. Ioniseringsenergi Si 1,1 ev Ge 0,7 ev Kovalent binding - diamantstruktur 26

27 Halvledere - Silisium (Si) Båndgap Si 1,1 ev Ladningstransport i en ren (intrinsic) halvleder forårsakes av termisk eksiterte elektroner i ledningsbåndet. - Hva med lys? Planck w g ( λ < Si ) h c w g w h f 1, 1 ev λ < h 414, 10 h 1100 f nm > w g 15 lys evs 6, Lys vil rive løs elektroner i silisiumkrystallen løfte elektroner opp i ledningsbåndet. Den Denne effekten brukes i solceller, fotodetektorer, digitale kamera osv. f c 380 λ nm Js I krystaller av materialer med høyre båndgap - f.eks ZnO ( 3,5 ev ) vil lys ikke klare å eksitere elektroner det betyr at krystallen er gjennomsiktig for lys (som glass) Kan brukes som elektriske ledere på solceller 27

28 Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk Transport av ladning elektronstrøm hullstrøm (?) - Den kovalente bindingsstrukturen er brutt i overgangen halvleder - metallelektrode + E Elektronstrøm strøm av frie elektroner i ledningsbåndet Hullstrøm elektronhopp mellom atomer i valensbåndet 28

29 Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk Doping tilførsel av fremmedelementer Antall doping-atomer er lav. ca. 1 pr Si atomer N-dopet med donor- atom 5 elektroner i valensbåndet Fosfor (P) Arsenikk (As) Antimon (Sb) P-dopet med akseptor-atom 3 elektroner i valensbåndet Aluminium (Al) Gallium (Ga) Bor (B) Ioniseringsenergien ca. 0,05 ev for det ekstra frie elektronet fra donor-atomet 29