Elektronikk med prosjektoppgaver FYS vår 2009

Like dokumenter
Fysikk og teknologi Elektronikk FYS ) Det betyr kjennskap til Ohms lov : U = R I og P = U I

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

Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210

Elektronikk med prosjektoppgaver FYS vår 2010

Spenningskilder - batterier

Elektronikk med prosjektoppgaver FYS vår 2012

UKE 4. Thevenin Spenningskilde og effektoverføring Fysikalsk elektronikk Ledere, isolatorer og halvledere, doping Litt om AC

Elektronikk med prosjektoppgaver FYS vår 2013

Spenningskilder - batterier

Elektronikk med prosjektoppgaver FYS vår 2014

Velkommen til FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver 2016

Velkommen til FYS 1210 Elektronikk med prosjektoppgaver 2018

Halvledere. Vg1 Vg3 Antall elever: Maksimum 15 Varighet: 90 minutter. Passer for:

FYS1210 Løsningsforslag Eksamen V2017

Forslag til løsning på eksamen FYS1210 høsten 2005

Fysikk og Teknologi Elektronikk

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer. Effekt, serielle kretser og Kirchhoffs spenningslov

Meir om halvleiarar. Halvleiarteknologi

Energiband i krystallar. Halvleiarar (intrinsikke og ekstrinsikke) Litt om halvleiarteknologi

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

Kapittel 17 Introduksjon til Solid State Components: Diodes

UNIVERSITETET I OSLO.

For å forstå hvordan halvledere fungerer, er det viktig først å ha forstått hva som gjør at noen stoffer leder strøm, mens andre ikke gjør det.

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder

ELEKTRISK STRØM 2.1 ELEKTRISK STRØM ATOMER

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer. Effekt, serielle kretser og Kirchhoffs spenningslov

LABORATORIERAPPORT. Halvlederdioden AC-beregninger. Christian Egebakken

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer

TRANSISTORER Transistor forsterker

Elektriske kretser. Innledning

Løsningsforslag for obligatorisk øving 1

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

UNIVERSITETET I OSLO.

Kapittel 17 Introduksjon til Solid State Components: Diodes

WORKSHOP BRUK AV SENSORTEKNOLOGI

Løsningsforslag til ukeoppgave 10

Forelesning nr.8 IN 1080 Elektroniske systemer. Dioder og felteffekt-transistorer

Forslag til løsning på Eksamen FYS1210 våren 2008

Forelesning 8. CMOS teknologi

Figur 1 viser et nettverk med et batteri på 18 volt, 2 silisiumdioder og 4 motstander.

UNIVERSITETET I OSLO

BYGGING AV LIKESTRØMSKILDE OG TRANSISTORFORSTERKER

Basis dokument. 1 Solcelle teori. Jon Skarpeteig. 23. oktober 2009

TRANSISTORER Transistor forsterker

UNIVERSITETET I OSLO

TFE4100 Kretsteknikk Kompendium. Eirik Refsdal

Forslag B til løsning på eksamen FYS august 2004

Forelesning nr.1 IN 1080 Mekatronikk. Kursoversikt Ladning, strøm, spenning og resistans

UNIVERSITETET I OSLO.

Sammendrag, uke 13 (30. mars)

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder Praktiske anvendelser

«OPERASJONSFORSTERKERE»

g m = I C / V T = 60 ms r π = β / g m = 3k3

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

g m = I C / V T g m = 1,5 ma / 25 mv = 60 ms ( r π = β / g m = 3k3 )

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 8. desember 2006 kl 09:00 13:00

TFE4101 Vår Løsningsforslag Øving 2. 1 Strøm- og spenningsdeling. (5 poeng)

Elevverksted Elektronikk Bruk av transistor som bryter

Electronics Technology Fundamentals

og P (P) 60 = V 2 R 60

UNIVERSITETET I OSLO.

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektrisitet og magnetisme Vår 2007, uke12

UNIVERSITETET I OSLO.

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 1

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

Energibånd i faste stoffer. Et prosjekt i emnet FY1303 elektrisitet og magnetisme, skrevet av Tord Hompland og Sigbjørn Vindenes Egge.

Théveninmotstanden finnes ved å måle kortslutningsstrømmen (se figuren under).

Kondenserte fasers fysikk Modul 4

UTSETT EKSAMEN VÅREN 2006 SENSORTEORI. Klasse OM2 og KJK2

Kapittel 17 Introduksjon til Solid State Components: Diodes

Forslag til løsning på eksamen FYS1210 våren 2010

Forslag til løsning på eksamen i FY Forslag til løsning på eksamen i F -IN 204 og FY108 våren 2003.

UNIVERSITETET I OSLO

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s kap. 16, s

Løsningsforslag for øvningsoppgaver: Kapittel 12

Eksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK. Lørdag 5. juni Tid. Kl LØSNINGSFORSLAG

Forelesning nr.4 IN 1080 Mekatronikk. Vekselstrøm Kondensatorer

Fys Halvlederkomponenter. Lasse Vines kontor: Kristen Nygårds hus, 3. etg.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 9. desember 2005 kl

Solceller. Josefine Helene Selj

Kapittel 17 Introduksjon til Solid State Components: Diodes

Forslag til løsning på eksamen FYS1210 våren Oppgave 1

Løsningsforslag til EKSAMEN

Forelesning nr.1 INF 1410

EKSAMEN. Emne: Fysikk og datateknikk

Løsningsforslag til eksamen FY108 høsten 2003

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C. 1volt

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s og kap. 16, s.

Læreplan i fysikk 1. Formål

Transistorforsterker

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer

ELEKTRISITET. - Sammenhengen mellom spenning, strøm og resistans. Lene Dypvik NN Øyvind Nilsen. Naturfag 1 Høgskolen i Bodø

Oppsummering. BJT - forsterkere og operasjonsforsterkere

UKE 6. Dioder, kap. 17, s , Diode Kretser, kap. 18, s

Praktiske målinger med oscilloskop og signalgenerator

Solceller - Teori og praksis Solcellers virkningsgrad, effekt og elektriske egenskaper.

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til EKSAMEN

Fag: Elektroteknikk Løsningsforslag til øving 4

Transkript:

Lindem 13 jan 2008 Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210 - 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

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

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

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

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

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

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

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

Fysikk og teknologi Elektronikk FYS 1210 Lindem 31.12.07 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

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 1 + 1 R 2 + 1 R 3 Fysiker George Simon Ohm ( 1787-1854 ) 10

Kretsteknikk ( Gustav Robert Kirchhoff 1845 ) Kirchhoff s lov om strømmer Summen av strømmene rundt et knutepunkt er null. Strøm inn strøm ut i + 1 + 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 1 1 + V 2 2 + V 3 3 0 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

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

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 - 1926 en utvidelse av Thévenins teorem strømkilde motstand 13

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

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

Hvem fant elektronet? 13. februar 1880 - 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 1880 85. Patentet blir lagt tilside og glemt ( Elektronet blir først påvist av J.J. Thomson i 1897 ) 16

Elektronikk teknologiutvikling i 100 år 24 år etter Edison - i 1904 - 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

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

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 1948 9 volt Forsterket (AC) signalspenning R B Kollektor R K 1908-1948 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) 1948 1978 Integrerte kretser 1978-2008 mikroelektronikk. 19

Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk - elektriske ledere halvledere isolatorer Elektrisk strøm (current) en rettet strøm av ladningsbærere gjennom en ledning 1 Ampere 6,28 10 18 elektroner pr. sekund - Termisk energi (varme) frigjør elektroner i en elektrisk leder - Elektronbevegelsen er tilfeldig inntil vi utsetter lederen for et elektrisk felt 20

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 10 28 m -3 1 Ampere 6,28 10 18 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

Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk - elektriske ledere halvledere isolatorer Niels Bohrs klassiske atommodell fra 1913. 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 10 23 elektroner / cm 3 22

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

Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk isolatorer halvledere elektriske ledere Antall frie elektroner i ledningsbåndet Elektrisk leder (metall) : ca 10 23 elektroner / cm 3 Halvleder : ca 10 8 10 14 elektroner / cm 3 Isolatorer : ca 10 elektroner / cm 3 Antall elektroner i ledningsbåndet varierer med temperaturen. For Silisium (Si) 25 o C 2 10 10 elektr. / cm 3 ved 100 o C - 2 10 12 elektr. /cm 3 Husk at 1 Ampere 6,28 10 18 elektroner pr. sekund 24

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

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

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, 63 10 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 740 34 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

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

Elektronikk introduksjon litt fysikalsk elektronikk Doping tilførsel av fremmedelementer Antall doping-atomer er lav. ca. 1 pr. 10 6 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