Třetí laboratorní cvičení
Elektronika pro informační
technologie (IEL)
Brno University of Technology, Faculty of Information Technology
Božetěchova 1/2, 612 66 Brno - Královo Pole
Petr Veigend, [email protected]
2019/2020
Základní informace
• Můj profil: http://www.fit.vut.cz/person/iveigend/
• Kancelář: A221
• Konzultační hodiny: po domluvě emailem
IEL cvičení 3 2
Obsah
• Polovodičová dioda
• Úvod do problematiky
• Měření V-A charakteristiky diody
• Logický součet a součin v diodové logice
IEL cvičení 3 3
POLOVODIČOVÁ DIODA
IEL cvičení 3 4
Fyzikální princip PN přechodu
• Rozlišujeme polovodiče vlastní a nevlastní
• Vlastní (v praxi se příliš nepoužívají)
• Křemík (Si)
• Valenční vrstva – 4 elektrony, chová se jako elektricky
neutrální
• Příměsí vhodných prvků do čistého křemíku se tento stav
naruší → vznik 2 typů polovodičů
IEL cvičení 3 5
Fyzikální princip PN přechodu
• Rozlišujeme polovodiče vlastní a nevlastní
• Vlastní (v praxi se příliš nepoužívají)
• Křemík (Si)
• Valenční vrstva – 4 elektrony, chová se jako elektricky
neutrální
• Příměsí vhodných prvků do čistého křemíku se tento stav
naruší → vznik 2 typů polovodičů
• Nevlastní
• polovodiče typu P
• Polovodiče typu N
IEL cvičení 3 6
Fyzikální princip PN přechodu
• Typ N: elektronová vodivost, příměs o 1 el. více
• Příklad: 5-mocný fosfor (P) – 5 elektronů ve valenční
vrstvě
7
Fyzikální princip PN přechodu
• Typ N: elektronová vodivost, příměs o 1 el. více
• Příklad: 5-mocný fosfor (P) – 5 elektronů ve valenční
vrstvě
• v krystalu křemíku od každého atomu fosforu 1 volný
elektron
8
Fyzikální princip PN přechodu
• Typ N: elektronová vodivost, příměs o 1 el. více
• Příklad: 5-mocný fosfor (P) – 5 elektronů ve valenční
vrstvě
• v krystalu křemíku od každého atomu fosforu 1 volný
elektron
• Záporně nabitý materiál → polovodič typu N
9
Fyzikální princip PN přechodu
• Typ P: děrová vodivost, příměs o 1 el. méně
• Příklad: 3-mocný bor (B) – 3 elektrony ve valenční vrstvě
IEL cvičení 3 10
Fyzikální princip PN přechodu
• Typ P: děrová vodivost, příměs o 1 el. méně
• Příklad: 3-mocný bor (B) – 3 elektrony ve valenční vrstvě
• v krystalu křemíku od každého atomu boru 1 volné místo
("díra")
IEL cvičení 3 11
Fyzikální princip PN přechodu
• Typ P: děrová vodivost, příměs o 1 el. méně
• Příklad: 3-mocný bor (B) – 3 elektrony ve valenční vrstvě
• v krystalu křemíku od každého atomu boru 1 volné místo
("díra")
• Kladně nabitý materiál → polovodič typu P
IEL cvičení 3 12
Fyzikální princip PN přechodu
• Příměsi s 5 valenčními elektrony (např. fosfor)
• Donory: dodávají do krystalu křemíku volné elektrony
IEL cvičení 3 13
Fyzikální princip PN přechodu
• Příměsi s 5 valenčními elektrony (např. fosfor)
• Donory: dodávají do krystalu křemíku volné elektrony
• Příměsi se 3 valenčními elektrony (např. bor)
• Akceptory: vytvářejí v křemíku kladně nabité "díry", které
elektrony přitahují
IEL cvičení 3 14
Fyzikální princip PN přechodu
• Příměsi s 5 valenčními elektrony (např. fosfor)
• Donory: dodávají do krystalu křemíku volné elektrony
• Příměsi se 3 valenčními elektrony (např. bor)
• Akceptory: vytvářejí v křemíku kladně nabité "díry", které
elektrony přitahují
• Takto upravené materiály jsou však samy o sobě prakticky
nepoužitelné, jelikož neposkytují dostatek volných
elektronů pro vedení proudu.
IEL cvičení 3 15
Fyzikální princip PN přechodu
• Příměsi s 5 valenčními elektrony (např. fosfor)
• Donory: dodávají do krystalu křemíku volné elektrony
• Příměsi se 3 valenčními elektrony (např. bor)
• Akceptory: vytvářejí v křemíku kladně nabité "díry", které
elektrony přitahují
• Takto upravené materiály jsou však samy o sobě prakticky
nepoužitelné, jelikož neposkytují dostatek volných
elektronů pro vedení proudu.
• Řešení: spojíme polovodiče typu P a N
→ PN přechod
IEL cvičení 3 16
PN přechod – napětí nepřipojeno
• Rozhraní materiálů P a N
→ hradlová vrstva
(potenciálová bariéra)
IEL cvičení 3 17
PN přechod – napětí nepřipojeno
• Rozhraní materiálů P a N
→ hradlová vrstva
(potenciálová bariéra)
• Volné elektrony (-) jsou
přitahovány k dírám (+)
• rekombinace – zánik
páru
(elektron se náhodně
setká s dírou, ztratí část
energie a zaplní díru)
IEL cvičení 3 18
PN přechod v závěrném směru
• Připojeno vnější napětí
• Kladná polarita (+)
vnějšího napětí u
polovodiče N přitahuje
elektrony (-)
IEL cvičení 3 19
PN přechod v závěrném směru
• Připojeno vnější napětí
• Kladná polarita (+)
vnějšího napětí u
polovodiče N přitahuje
elektrony (-)
• Záporná polarita (-)
vnějšího napětí u
polovodiče P přitahuje díry
(+)
IEL cvičení 3 20
PN přechod v závěrném směru
• Připojeno vnější napětí
• Kladná polarita (+)
vnějšího napětí u
polovodiče N přitahuje
elektrony (-)
• Záporná polarita (-)
vnějšího napětí u
polovodiče P přitahuje díry
(+)
• potenciálová bariéra se
zvětšuje a proud
neprotéká
IEL cvičení 3 21
PN přechod v propustném směru
• Připojeno vnější napětí
• Kladná polarita (+)
vnějšího napětí u
polovodiče P odpuzuje díry
(+)
IEL cvičení 3 22
PN přechod v propustném směru
• Připojeno vnější napětí
• Kladná polarita (+)
vnějšího napětí u
polovodiče P odpuzuje díry
(+)
• Záporná polarita (-)
vnějšího napětí u
polovodiče N odpuzuje
elektrony (-) a tlačí je
směrem k přechodu
IEL cvičení 3 23
PN přechod v propustném směru
• Připojeno vnější napětí
• Kladná polarita (+)
vnějšího napětí u
polovodiče P odpuzuje díry
(+)
• Záporná polarita (-)
vnějšího napětí u
polovodiče N odpuzuje
elektrony (-) a tlačí je
směrem k přechodu
• potenciálová bariéra
zaniká a začíná protékat
proud
IEL cvičení 3 24
dochází k rekombinaci elektronů
a děr
• Analytické řešení
IEL cvičení 3 25
VA charakteristika PN přechodu
• Lze aproximovat
IEL cvičení 3 26
VA charakteristika PN přechodu
PN přechod v praxi – dioda
• Polovodičová dioda má tuto značku:
• Jedná se vlastně o polovodičový PN přechod
• Má dvě elektrody
• kladnou: anodu, P (delší)
• zápornou: katodu, N (kratší)
IEL cvičení 3 27
VA charakteristika charakteristika diody
• Skutečná
charakteristika
ale vypadá takto:
• Diodou prochází proud i v tzv. závěrném směru. Pokud
překročí maximální povolenou hodnotu,
• dojde k (destruktivnímu) průrazu a u většiny typů diod i k
jejich zničení
(existují výjimky – Zenerova dioda)
IEL cvičení 3 28
VA charakteristika charakteristika diody
• Si – otevírá se při UD=0,4V, otevřená je při UD=0,5V
– průraz cca při cca 300V
IEL cvičení 3 29
PŘEHLED VYBAVENÍ
IEL cvičení 3 30
Nepájivé pole
• V bodované části budete pracovat s nepájivým polem,
měřit budete pomocí multimetru
• Nepájivé pole – sloupce jsou vodivě propojeny!
• Izolační žlábek ukončuje vodivé propojení sloupce
IEL cvičení 3 31
Slo
up
ce
Řádky
Izolační
žlábky
Multimetr
IEL cvičení 3 32
DCVstejnosměrné napětí
Ωodpor
Měření (U, I, R)Zem (GND)
Nastavit vždy před přivedením napájecího napětí!!
DCAstejnosměrný proud
Test vodiče
Potenciometr
• Připojený do nepájivého kontaktního pole
• Do krajních vývodů zapojíme 5V a GND, z prostředních
odebíráme napětí
IEL cvičení 3 33
IEL cvičení 3 34
Nové vybavení – diody
červená černá
ÚKOL 0
SVÍTÍ?
IEL cvičení 3 35
• Zapojte LED diodu do nepájivého pole
• Ověřte, zda svítí. Jestli ne, zkuste změnit polaritu
(otočit).
• Proč ?
IEL cvičení 3 36
Svítí?
ÚKOL 1
V-A CHARAKTERISTIKA (LED)
DIODYIEL cvičení 3 37
• Postup zapojení
IEL cvičení 3 38
V-A charakteristika diody
• Postup zapojení
• Vstupní napětí (U) – potenciometr
• Multimetr
• DCV: 20 V
• DCA: 20 mA
• Vyneste V-A charakteristiku
U = 0,0.15,0.3,0.5,0.7,2 a 5 V)
IEL cvičení 3 39
V-A charakteristika diody
ÚKOL 2
LOGICKÉ OPERACE AND, OR V
DIODOVÉ LOGICEIEL cvičení 3 40
Úkol: Logický součin a součet v diodové logice
• Ověřte, zda jsou následující obvody schopny realizovat logické
operace OR (součet) a AND (součin)
Součet (OR) Součin (AND)
• Napětí v bodech A, B jsou vstupy obvodu, C je výstup
• Bod A – 5V, bod B – GND
• Bod C: log. 0 v rozsahu 0 – 1 V, log. 1 v rozsahu 3 – 5V
IEL cvičení 3 41
Reference
• [1] Zadání laboratoří IEL, dostupné online přes IS FIT
IEL cvičení 3 42
Děkuji Vám za pozornost!
IEL cvičení 3 43
ÚKOL
DIODOVÝ USMĚRŇOVAČ
IEL cvičení 3 44
Využití diod
• Propustný směr: diodou prochází proud
• Závěrný směr: průchod proudu je blokován
• Využití:
• Usměrňovače
• Také např. jako ochrana zařízení před nesprávnou
polaritou napájecího napětí
IEL cvičení 3 45
Usměrňovače
• Existuje několik druhů usměrňovačů, v rámci dnešní
laboratoře budeme pracovat s tzv. jednocestným
usměrňovačem
• Princip činnosti v praxi viz obrázek
IEL cvičení 3 46
Úkol: Diodový usměrňovač
• Pro ověření funkce diodového usměrňovače zapojte na
přípravku následující soustavu diferenciálních rovnic
𝑦′ = 𝑢 𝑦 0 = 10𝑢′ = −𝑦 𝑢 0 = 0
• Na přípravku se tato soustava dá zapojit následovně:
• Pozn.: vzhledem k součástkám v přípravku bude
harmonický průběh tlumený
• Pozn.: Pozor, prvky jsou invertující
IEL cvičení 3 47
Úkol: Diodový usměrňovač – usměrnění
• Nyní připojte k obvodu, který generuje harmonický
signál, diody a ověřte, že ho opravdu usměrňují
• Obvody budete připojovat za invertor
• Poznámka: hodnoty R nastavte dostatečně velké, tj.
alespoň v řádu jednotek či desítek kΩ
IEL cvičení 3 48
