|
Regulaminy i zasady oceniania
|
|
Materiały na zajęcia dla poszczególnych klas |
|
Statystyka sprawdzianów wiadomości |
|
Rozwiązania zadań ze sprawdzianów wiadomości |
|
Treści zadań przygotowujących do sprawdzianów wiadomości i egzaminów poprawkowych |
|
Treści zadań z Olimpiad Wiedzy Technicznej |
|
|
Półprzewodnikowe złącze p-n |
Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: p i n. W obszarze typu n (negative) nośnikami większościowymi są elektrony (ujemne). Atomy domieszek (donory) pozostają unieruchomione w siatce krystalicznej. Analogicznie w obszarze typu p (positive) nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim. Atomy domieszek są tu akceptorami. W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych. Obszar o mniejszej koncentracji domieszek znajdujący się pomiędzy kontaktem złącza a warstwą zubożoną nazywany jest bazą. W stanie równowagi termodynamicznej tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola elektrycznego, w pobliżu styku obszarów p i n swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu p, natomiast dziury do obszaru typu n (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwóch swobodnych nośników.
Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, w wyniku czego w pobliżu kontaktu pozostają jedynie odsłonięte jony domieszek: ujemnych akceptorów i dodatnich donorów; jony te wytwarzają pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji nośników. W efekcie w pobliżu złącza powstaje warstwa ładunku przestrzennego, nazywana też warstwą zubożoną (tj. praktycznie nieposiadającą swobodnych nośników) lub warstwą zaporową. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie n hamuje przepływ dziur z obszaru p, natomiast ładunek ujemny po stronie p hamuje przepływ elektronów z obszaru n. Innymi słowy przepływ nośników większościowych praktycznie ustaje. Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym. W złączu mogą przepływać również nośniki mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację nośników mniejszościowych wartość prądu unoszenia jest niewielka, rzędu ułamka mikroampera (10-6 A), a nawet pikoamperów (10-12 A) Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6 - 0,8 V, natomiast dla złącz germanowych wynosi ok. 0,2 - 0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok. 2,3 mV/K.
|
|
Ładunek elektryczny w polu magnetycznym |
Pole magnetyczne - właściwość przestrzeni polegająca na tym, że jeżeli w tej przestrzeni umieścimy magnesy lub przewodniki, przez które przepływa prąd elektryczny lub poruszające się ładunki elektryczne, to będą na nie działały siły magnetyczne.
Siłę działającą na przewodnik, przez który przepływa prąd elektryczny umieszczony w polu magnetycznym, nazywamy siłą elektrodynamiczną.
Indukcja magnetyczna to wielkość fizyczna wektorowa charakteryzująca pole magnetyczne w danym punkcie. Mierzymy ją stosunkiem maksymalnej wartości siły elektrodynamicznej do iloczynu natężenia prądu i długości przewodnika, na który działa ta siła. Kierunek wektora indukcji magnetycznej jest styczny do linii sił pola w danym punkcie, a zwrot zgodny ze zwrotem linii sił pola magnetycznego. Jednostką indukcji magnetycznej w układzie SI jest jedna tesla.
Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej określa reguła lewej dłoni:
Jeżeli lewą dłoń ustawimy tak, aby linie sił pola magnetycznego wnikały do wnętrza dłoni, cztery złączone, wyprostowane palce pokazywałyby kierunek prądu płynącego przez przewodnik, to odchylony w bok kciuk wskaże zwrot siły elektrodynamicznej.
Zwrot wektora F określa reguła śruby prawoskrętnej:
Jeżeli śrubę prawoskrętną ustawimy prostopadle do płaszczyzny, w której leżą wektory B i delta l i będziemy nią obracać tak, aby wektor delta l nałożyć na wektor B, to ruch postępowy śruby wskaże nam zwrot wektora siły elektrodynamicznej.
Siła działająca na ładunek elektryczny poruszający się w polu magnetycznym nazywa się siłą Lorentza.
Strumień wektora indukcji. Prawo Gaussa dla pola magnetycznego
Ponieważ linie wektora indukcji są zamknięte, to zawsze tyle samo linii wpływa do obszaru objętego daną powierzchnią ile wypływa, więc strumień przechodzący przez tę powierzchnię jest równy zeru. Zawartą wewnątrz powierzchni S dowolnie małą część magnesu możemy odłamać od całości otrzymując znowu na końcach przeciwne bieguny magnetyczne. Nowopowstały magnes jest w całości obejmowany przez powierzchnię S. Tak więc strumień wektora B, przechodzący przez tę powierzchnię jest także równy zeru. Odpowiada to takiej sytuacji dla pola elektrostatycznego, gdy wewnątrz zamkniętej powierzchni znajduje się dokładnie tyle samo ładunków dodatnich, co ujemnych. Ale ładunki można rozdzielić, a biegunów magnetycznych nie. To oznacza, że pole elektryczne jest polem źródłowym, a pole magnetyczne - bezźródłowym. Prawo Gaussa dla pola magnetycznego jest słuszne zawsze, tzn. niezależne od tego, przez co to pole zostało wytworzone i w jakim ośrodku.
|
|
Zamiana Trójkąt⇒Gwiazda i Gwiazda⇒Trójkąt (kalkulator) |
Link poniżej uruchamia kalkulator (plik .xlsx), dzięki któremu w bardzo prosty sposób można dokonać zamiany impedacji elementów gwiazdy w trójkąt i odwrotnie. Wartości zespolone, wprowadzane do obliczeń powinny mieć format:
x + jy
lub
x + iy
gdzie x, y to część rzeczywista i część urojona wprowadzanych wartości zespolonych poszczególnych impedancji.
- uruchom ...
|
|
Dioda półprzewodnikowa jest elementem elektronowym zawierającym złącze p-n z wyprowadzonymi na zewnątrz dwiema końcówkami, dołączonymi do obu stron wspomnianego złącza p-n, przy czym końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu - od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).Diody te są elementami nieliniowymi. Nieliniowość diody półprzewodnikowych polega na tym, że występujące na jej zaciskach napięcie zależy od płynącego przez diodę prądu zgodnie z następującą zależnością: UD = (kT/q)loge(ID/I0 - 1), gdzie k - stała Boltzmana, T - temperatura złącza w Kelvinach, q - ładunek elementarny, I0 - prąd zerowy złącza, UD, ID - napięcie i prąd diody.
Podstawową cechą diod półprzewodnikowych jest umożliwianie przepływu prądu tylko w jedną stronę, jednak gama ich zastosowań jest o wiele szersza. Diody stosowane są w układach analogowych i cyfrowych. W układach analogowych wykorzystywana jest zależność rezystancji dynamicznej od napięcia lub prądu wejściowego, lub też zmiany pojemności w funkcji napięcia. W układach cyfrowych istotne są natomiast właściwości przełączające diody. Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmiennego, w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych. Każda dioda ma pewną częstotliwość graniczną, po przekroczeniu której nie zachowuje się jak dioda, lecz jak kondensator.
Klasyfikację diod można przeprowadzić ze względu na: materiał (krzemowe, germanowe z arsenku galu); konstrukcję (ostrzowe i warstwowe; stopowe i dyfuzyjne: mesa, planarne i epiplarne); strukturę fizyczną złącza (p-n, m-s, heterozłącza); zastosowanie (prostownicze, uniwersalne, impulsowe, stabilitrony - Zenera, pojemnościowe - warikapy i waraktory, tunelowe, mikrofalowe: detekcyjne i mieszające); przebiegające zjawiska (Zenera, Gunna, lawinowe, tunelowe). Różnorodność tych typów jest związana z poziomem i rozkładem koncentracji domieszek, mających wpływ na charakterystykę prądowo-napięciową; rozmiarami geometrycznymi poszczególnych obszarów półprzewodnika i rodzajem obudowy. Parametry diod mogą być charakterystyczne lub dopuszczalne (graniczne).Wartość prądu zerowy diod germanowych jest rzędu uA, a diod krzemowych - nA.
Diody prostownicze są przeznaczone do prostowania napięcia bądź prądu
przemiennego o małej częstotliwości. Prostowanie jest to przetwarzanie prądu
przemiennego na prąd jednokierunkowy. Diody te zaczynają przewodzić prąd dopiero
po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia (dla diod
krzemowych wynosi ona ok. 0,7 V, a dla germanowych ok. 0,3 V).
Diody stabilizacyjne są to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania
napięć. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym,
charakteryzując się niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu.
Diody te wykorzystują zjawisko Zenera lub lawinowe.
Diody pojemnościowe (warikapy i waraktory) pracują przy polaryzacji
zaporowej, charakteryzując się zmienną pojemnością, zależną od napięcia polaryzacji wstecznej.
Ze względu na małe wymiary diod pojemnościowych, dużą wytrzymałość na udary
i małą zależność od zmian temperatury, mogą one w wielu wypadkach zastąpić
kondensatory zmienne lub ceramiczne.
Diody przełączające do nich zaliczane są diody: tunelowe, ładunkowe,
ostrzowe, Schottky`ego. Zastosowanie: w przełącznikach, we wzmacniaczach o małych szumach
i w generatorach mikrofalowych.
Diody generacyjne i wzmacniające: tunelowe, lawinowe Reada i Impatt, Gunna
Dioda Gunna jest to element, którego działanie polega na specyficznej zależności
prędkości elektronów od natężenia pola elektrycznego (zjawisko Gunna), czego
rezultatem jest istnienie ujemnej konduktacji w diodzie.
Diody Gunna są stosowane w generatorach mikrofalowych o częstotliwości rzędu
GHz.
|
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. (Prąd emitera jest zawsze sumą prądu kolektora i prądu bazy). Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy, współczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem h21E lub grecką literą ß.
Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia wymusza przepływ prądu przez to złącze - nośniki większościowe (elektrony w tranzystorach NPN lub dziury w tranzystorach PNP) przechodzą do obszaru bazy (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą bezpośrednio do kolektora - jest to możliwe dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy - znacznie mniejszej niż droga swobodnej dyfuzji nośników ładunku w tym obszarze (ok. 0,01-0,1 mm), co pozwala na łatwy przepływ nośników przechodzących przez jedno ze złącz do obszaru drugiego złącza - nośniki wstrzyknięte do bazy niejako 'siłą rozpędu' dochodzą do złącza kolektor baza. Ponieważ złącze to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym to nośniki mniejszościowe, dzięki zjawisku unoszenia są 'wsysane' do kolektora.
|
Najprostszą lampą elektronową jest dioda próżniowa. Składa się ona z zamkniętych w próżniowej obudowie (najczęściej szklanej bańce) dwóch elektrod: wyposażonej w grzejnik katody i anody. Z rozgrzanej katody, na skutek zjawiska termoemisji możliwa jest emisja elektronów.
Przy dodatniej polaryzacji anody względem katody pole elektryczne między nimi przyspiesza elektrony, które docierają do anody - w ten sposób możliwy jest przepływ prądu elektrycznego. Przy polaryzacji odwrotnej pole elektryczne hamuje ruch elektronów, nie dopuszczając do ich przepływu. Prąd więc płynie przez diodę tylko w jednym kierunku - od anody do katody (elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym) wtedy, gdy anoda ma potencjał wyższy niż katoda. Typowym przedstawicielem podwójnej diody (duodiody) próżniowej jest lampa o symbolu AZ1, przedstawiona na rysunku po prawej stronie.
Jeżeli w przestrzeni między anodą i kadodą diody umieścimy trzecią elektrodę w postaci siatki, to otrzymamy lampę elektronową zwaną triodą. Trioda składa się z umieszczonych w próżniowej bańce (najczęściej szklanej) trzech elektrod: żarzonej katody, anody i umieszczonej pomiędzy nimi siatki. Z rozgrzanej katody na skutek zjawiska termoemisji, możliwa jest emisja elektronów.
Anoda jest spolaryzowana względem katody dodatnio i pole elektryczne między nimi przyspiesza elektrony, które docierają do anody.
Na pole elektryczne wpływa również siatka - możliwa jest więc regulacja prądu anody za pomocą innej elektrody - siatki. Ponieważ siatka znajduje się dużo bliżej katody niż anoda, to wpływa ona silniej na pole elektryczne w sąsiedztwie katody niż anoda - im silniej, tym większe wzmocnienie da się uzyskać za pomocą lampy. Gdy siatka jest spolaryzowana ujemnie w stosunku do katody, hamuje wtedy elektrony i zawraca je do katody, zmniejszając prąd anodowy. Przy katodzie tworzy się wtedy chmura przestrzennego ładunku ujemnego (elektronów), która przeciwdziała emisji elektronów z katody. Gdy siatka jest spolaryzowana dodatnio, dodatkowo przyspiesza elektrony zwiększając płynący prąd (jednak część tych elektronów dociera do siatki, powodując przepływ prądu w jej obwodzie, co nie jest zjawiskiem korzystnym). Rysunek po prawej stronie przedstawia podwójną triodę (duotriodę) o symbolu ECC85, powszechnie stosowaną w odbiornikach telewizyjnych z lat 70 ubiegłego wieku.
|
|
