Járművillamosság és elektronika II.

Az előadások a következő témára: "Járművillamosság és elektronika II."— Előadás másolata:

1 Járművillamosság és elektronika II.
Félvezető alapú elektronikai alkatrészek, diódák, bipoláris tranzisztorok, térvezérelt tranzisztorok, optoelektronika

2 Félvezető-elmélet alapjai
Az anyagok osztályozása vezetőképesség szerint: Vezetők (fémek): ezüst, arany, réz stb. Nagy számú szabad töltéshordozó Nem vezetők (szigetelők): teflon, alumínium-oxid Gyakorlatilag nincs szabad töltéshordozó Félvezetők: szilícium, germánium, gallium-arzenid A szabad töltéshordozók száma alapesetben a szigetelők és vezetők között helyezkedik el

3 Periódusos rendszer

4 Szennyezett félvezetők
A félvezető alapanyagok (Si, Ge, GaAs, SiC, stb.) 4 vegyértéke stabil kovalens kötésű rácsszerkezetet eredményez. Donor típusú szennyezés: A félvezető alapanyagokhoz adalékolt 5 vegyértékű anyag azt eredményezi, hogy egy szabad (le nem kötött) elektron keletkezik minden szennyező atomra. Ez elektron többletet eredményez. Akceptor típusú szennyezés: 3 vegyértékű szennyező anyag alkalmazása esetén egy szabad elektron hiány (lyuk) keletkezik minden szennyező atomra (a negatív töltés hiánya pozitív töltésként viselkedik és a vezetésben úgy vesz részt mint az elektron, de ellentétes mozgási iránnyal).

5 N-típusú félvezető 5 vegyértékű atom
Az n-típusú félvezető akkor jön létre, ha a négyvegyértékű kristályrácsban egyes szilícium atomokat ötvegyértékű (donor) atomok helyettesítenek. A donor atomok négy elektronja szorosan kapcsolódik az atomhoz, de az ötödik elektron már kis energiaközléssel is könnyen szabaddá tehető. Szobahőmérsékleten gyakorlatilag minden donor atom elveszti többlet elektronját és ezenkívül még elektron-lyuk párok is keletkeznek, így az elektronok száma nagyobb, mint a lyukaké, vagyis az elektronok a többségi, a lyukak pedig a kisebbségi töltéshordozók, amelyek áramvezetésre alkalmasak. Az ionizálódott donor atomoknak egységnyi pozitív töltésük lesz, de ezek nem fognak be még egy elektront, mert a kristályszerkezet így hibátlan. Az össztöltés a teljes kristályszerkezetben nulla, az anyag villamosan semleges állapotban van.

6 P-típusú félvezető 3 vegyértékű atom
A p-típusú félvezető háromvegyértékű anyaggal szennyezett. A kristály-rácsban a Si atomokat helyettesítő un. akceptor atomok a három vegyértékelektron mellé befognak egy többlet elektront a szomszédos kötésből és így kiegészül a kristályszerkezet. A szennyező atomok negatív töltésű akceptor ionokká válnak. Azok a félvezető atomok, amelyekről leszakadnak az elektronok és ezáltal elektron hiányok, lyukak keletkeznek, szabad pozitív töltéshordozóként foghatók fel és így az áramvezetésben részt vesznek. Ezenkívül elektron-lyuk párok is keletkeznek, így az elektronok lesznek a kisebbségi, a lyukak pedig a többségi töltéshordozók. A kristály kifelé villamosan továbbra is semleges marad, mert a lyukak és az akceptor-ionok töltése kompenzálja egymást. Ha a félvezető kristályra külső villamos tér nem hat, a töltéshordozók mozgásának nincs kitüntetett iránya, a homogén szennyezésű kristályban áram nem folyik. A félvezetőben két különböző jellegű áramvezetés jöhet létre: a drift és a diffúziós áram.

7 PN átmenet A szennyezéssel bevitt töltéshordozókat (éppen meghatározó jellegük miatt) többségi töltéshordozóknak, míg a termikus gerjesztés révén keletkező lyuk- elektron párokat kisebbségi töltéshordozóknak nevezzük. A kiürített réteg az átmenetben egy potenciál gátat hoz létre (Si ~0.7 V, Ge esetén ~0.3 V). A félvezető kristályban különböző szennyezettségű rétegek alakíthatók ki, amelyek határán p-n szennyezés átmenet jön létre. Az átmeneten a töltéssűrűség ugrásszerűen változik, ezért egy p és egy n típusú réteg képzeletbeli összeillesztésének pillanatában a töltéskiegyenlítődés miatt nagy diffúziós lyuk és elektronáram indul meg külső feszültség rákapcsolása nélkül. A pn átmeneten keresztül nagyszámú lyuk áramlik a p oldalról az n oldalra és ugyancsak nagyszámú elektron az n oldalról a p oldalra. Az átmenet két oldalán az oda átdiffundált töltéshordozók az egyensúlyi töltéshordozó-sűrűséghez képest többlet töltéshordozókat jelentenek és az átmenet közelében az ott levő többségi töltéshordozókkal rekombinálódnak. Egyrészt a rekombináció miatt, másrészt a diffúzió miatt a többségi töltéshordozó-sűrűség az átmenet két oldalán lecsökken, egy olyan réteg keletkezik, amelyből „elfogytak” a töltéshordozók, így kiürített réteg, vagy másképpen záróréteg alakul ki. Zérus külső feszültség esetén a külső áramkörben nem folyik áram, a pn átmenet drift és diffúziós árama kiegyenlíti egymást.

8 Diffúziós áram Diffúziós áram. Amennyiben a félvezetőben töltéshordozó koncentráció különbség van, külső erőtér nélkül is folyik áram; a töltéshordozók az egyenletes sűrűségeloszlásra törekszenek. A többségi töltéshordozók a határfelületen (réteg, junction) az ellentétes töltésük miatt közömbösítik egymást. Az egyenlőtlen sűrűségeloszlás a töltéshordozók folyamatos pótlásával és elszállításával fenntartható, ekkor a kristályban állandó áram folyik.

9 Drift áram Drift (sodródási) áram: a félvezetőben a belső vagy külső villamos tér hatására létrejövő áram. A félvezető kristályban a villamos térerősség hatására a szabad töltéshordozók mozgásának kitüntetett iránya van. A lyukak a tér irányába, az elektronok a tér irányával ellentétesen mozognak, sebességük arányos a villamos tér nagyságával és az illető töltéshordozó mozgékonyságával. A mozgékonyság függ a félvezető anyagától, a töltéshordozók számától és a kristály hőmérsékletétől. A mozgékonyság a hőmérséklet növekedésekor csökken. A térerősség növelésével kezdetben lineárisan nő a töltéshordozók sebessége, majd egy bizonyos határon túl a sebesség már nem növekszik, gyakorlatilag független a térerősségtől. Igen nagy térerősségnél, egy kritikus értéken felül, a sebesség ugrásszerűen megnövekszik, “átütés” következik be.

10 Elektronok diffúziós és drift árama

11 PN átmenet gerjesztése külső feszültséggel
A pn rétegre kétféle módon kapcsolható feszültség kívülről: - az n rétegre a p réteghez képest pozitívabb feszültséget kapcsolva (záróirány) - a p rétegre az n réteghez képest pozitívabb feszültséget kapcsolva (nyitóirány)

12 Nyitóirányú feszültség
Nyitóirányban a p rétegre pozitívabb feszültséget kapcsolunk, mint az n rétegre.

13 Záróirányú feszültség
Záróirányban a p rétegre negatívabb feszültséget kapcsolunk, mint az n rétegre. A záróirányú feszültség növelésével, az eszköz a letörés határára kerülhet (UBR), amely tönkremenetelét okozhatja. Ennek hatására a kiürített réteg “szélessége” és a térerősség növekszik, a feszültségmentes állapotra jellemző diffúziós és drift áram egyensúly felbomlik és az átmeneten eredő drift áram folyik, amelynek értéke μA nagyságrendű, tehát a pn átmenet gyakorlatilag nem vezet áramot. A negatív feszültség egy meghatározott értékénél a záróirányú áram megnövekszik. Az áramnövekedés egyik oka, hogy a nagy zárófeszültség hatására a pn rétegben kialakuló nagy térerősség elektronokat szakít le a félvezető atomokról, ezáltal megnövekszik a töltéshordozók száma, megnövekszik az áram. Ez a jelenség a Zener-letörés. A másik ok az un. lavinasokszorozódás. A töltéshordozók a nagy térerősség miatt nagy sebességgel mozognak a tértöltési tartományban és ütközéseikkel újabb töltéshordozókat hoznak létre. Az a feszültség, amelynél a hirtelen áramnövekedés bekövetkezik, az UBR letörési feszültség. A letöréskor kialakuló nagy áram és nagy feszültség hatására keletkező villamos teljesítmény hőhatása a pn átmenetet tönkreteheti

14 Letörési jelenségek a PN átmenetben
A záróirányú feszültség növelésével elérünk egy olyan feszültséget, amelynél a lezárt pn átmeneten egyre nagyobb áram folyik át. Ez a feszültség a letörési feszültség (UBR). A nagy záróirányú feszültség és a jelentős áram együttesen nagy veszteségi teljesítményt eredményeznek, amely a félvezető melegedéséhez és tönkremeneteléhez vezethet. A letörési folyamatok kialakulásának oka különböző lehet. A jelenség leírására két fizikai hatást alkalmaznak.

15 Lavina (avalanche) hatás
Nagy záróirányú feszültség hatására megnövekedett kiürített rétegben (nagy szabad úthossz) a szabad töltéshordozók (kisebbségi) felgyorsulnak a rájuk nézve gyorsító hatású térben és nagy energiára tesznek szert. A szabad elektronok ütközve az atomszerkezethez kötött elektronokba átadják energiájukat és további töltéshordozókat szakítanak ki, tesznek szabaddá. Ez a folyamat ismétlődik és egy lavina-sokszorozás alakul ki a rétegben. A réteg tönkremenetelét a nagy záróirányú feszültséggel (>6V) egyidőben kialakuló jelentős áram által keltett veszteségi teljesítmény okozza, amely jelentősen növeli a belső hőmérsékletet. Gyengén szennyezett átmeneteknél fordul elő.

16 Alagút (Zener) hatás Erősen szennyezett félvezetők esetén lép fel. Az erős szennyezés következtében a kiürített réteg vékony lesz, amely azt eredményezi, hogy már alacsony záróirányú feszültség esetén is nagy térerő alakul ki (<6V). A vékony kiürített réteg és nagy térerő miatt töltéshordozók szakadnak ki a kristályrácsból, nagyszámú szabad töltéshordozót hozva létre és közvetlen vezetés indul meg az n-réteg és a p-réteg között. Ez hirtelen megnöveli a záróirányú áramot és meredeken csökken a Zener dióda ellenállása, egy közel állandó feszültség mellett, megnő az áram.

17 Termikus hatások félvezetőkben
Az elektron mozgása során - egyik rétegből a másikba - egyben energia is transzportálódik, méghozzá hő formájában. A szállított hő arányos a szállított elektronok mennyiségével. Peltier-hatás: Ha egy félvezetőt két fém közé helyezünk és feszültséget kapcsolunk a fémekre, akkor az egyik fémből a másikba mozoghatnak a töltések és ezzel a hőenergia, az átmenetek egyenirányító hatása és a rétegek energia viszonyai miatt. Seebeck-hatás: Ha a két anyag két ponton úgy csatlakozik, hogy azok különböző hőmérsékleten vannak, akkor fellép a Seebeck-hatás (termoelem).

18 Dióda A legalapvetőbb, leggyakrabban alkalmazott kétrétegű, egy pn átmenetet tartalmazó eszköz a dióda

19 Dióda karakterisztika

20 Dióda árama és feszültsége közötti kapcsolat
Az áram és a feszültség közötti kapcsolat: I a pn-átmenet árama, U a pn-átmenet feszültsége, Io a pn-átmenet záróirányú (drift) árama adott hőmérsékleten, UT a termikus feszültség, amely az összefüggéssel határozható meg. k a Boltzmann állandó, T a kristály hőmérséklete Kelvin fokban, q az elektron töltése. Szobahőmérsékleten a termikus feszültség UT ≅ 26 mV.

21 Záróirányú és nyitóirányú előfeszítés változtatása
Amikor a pn átmeneten nyitóirányú áram folyik, a p és az n rétegekben az egyensúlyi állapotnak megfelelő töltéshordozó-sűrűségnél sokkal nagyobb a kisebbségi lyukak és elektronok koncentrációja. A vezetésből zárásba való átmenetkor a nyitóirányú áram az áramkör impedanciája által meghatározott meredekséggel csökkenni kezd, majd az áram nullátmenete után ts ideig változatlan meredekségű, nagy záróirányú áram folyik. Ez az áram csak akkor csökken a záróirányú áram Io állandósult értékére, ha az átmenetben kialakul a feszültségnek megfelelő záróréteg. Ehhez el kell távolítani a pn átmenetből a többlet kisebbségi töltéshordozókat. A töltéshordozók az átmenetből részben a megnövekedett záróirányú árammal távoznak, részben rekombináció útján semlegesítődnek.

22 Dióda hőfokfüggése

23 Zener-dióda Nyitóirányban (UF, IF) a Zener egy kisteljesítményű diódaként viselkedik (így nem használják) Záróirányban (UR, IR) a Zener elérve a Zener feszültséget (Uz) egy minimális Zener-áram után (Izmin) meredek karakterisztikával rendelkezik, azaz jelentős áramváltozásra is csak kis feszültségváltozással reagál. A meredekség mértékét mutatja a Zener dinamikus ellenállása (rdz), amely hőmérsékletfüggő.

24 Zener-dióda A Zeneren kialakuló feszültség (Uz) stabil, de értéke függ a hőmérséklettől. A hőmérsékletfüggés mértékét a hőmérsékleti együttható mutatja meg , amelynek értéke lehet pozitív vagy negatív. A Zener maximális áramát a Zener veszteségi teljesítménye (Pdzmax) szabja meg. A Zenereket - akárcsak a félvezető eszközök döntő többségét - a rétegekben keletkező hő teszi tönkre, így a Zenerek, amelyek üzemszerűen letörésben üzemelnek, különösen érzékenyek erre.

25 Zener-diódák alkalmazása
A Zenereket alapvetően három feladatra alkalmazzák: kisteljesítményű, nem szabályozott (visszacsatolás nélküli) tápegységként referenciafeszültség-forrásként (feszültség stabilizálás) nemlineáris elemként áramkörökben

26 Schottky-dióda Fém-félvezető dióda (pl. Al-Si), amelynek jellemzője a Si diódáknál lényegesen kisebb nyitóirányú feszültség. Ezt a tulajdonságát felhasználva elsősorban a gyorskapcsoló diódák (ps nagyságrendű kapcsolási idők) és a digitális áramkörök fontos alkatrésze. nagyfrekvenciás kapcsolóüzemű tápegység alkalmazásokban is nagyfrekvenciás egyenirányító diódaként.

27 Egyenirányító dióda Váltakozó feszültség egyenirányítására alkalmazzák egyenirányító kapcsolásokban (teljesítmény diódák) Nyitóirányban használják őket Nagy nyitóirányú áramot képesek elviselni Nagy záróirányú feszültséget képesek elviselni

28 Egyutas egyenirányítás

29 Kétutas egyenirányítás
Kétutas középleágazásos kapcsolás

30 Kétutas egyenirányítás Graetz-híddal

31 Bipoláris tranzisztor (áram vezérelt)
A tranzisztor két pn átmenetből áll, ahol az egyik réteg közös. A közös réteg vagy n, vagy p típusúan szennyezett, ezért a tranzisztor szennyezési sorrendje lehet pnp vagy npn. Minden réteghez tartozik egy-egy kivezetés: a közös réteg a bázis, amelynek egyik oldalán az emitter, a másikon pedig a kollektor van.

32 NPN A közös bázisréteg rendkívül vékony, és mivel mindkét pn átmenet közös eleme, ezért az átmenetek között jelentős kölcsönhatás lép fel: a bázis-emitter átmenet áramával a kollektor és az emitter között folyó áram befolyásolható. A réteg- tranzisztorban az elektronok és a lyukak egyaránt részt vesznek az áramvezetésben, erre utal a bipoláris tranzisztor elnevezés. Az npn és a pnp struktúrájú tranzisztorok működése lényegében nem tér el egymástól, csupán az egyenfeszültségek polaritása, illetve az egyenáramok iránya ellentétes

33 PNP A közös bázisréteg rendkívül vékony, és mivel mindkét pn átmenet közös eleme, ezért az átmenetek között jelentős kölcsönhatás lép fel: a bázis-emitter átmenet áramával a kollektor és az emitter között folyó áram befolyásolható. A réteg- tranzisztorban az elektronok és a lyukak egyaránt részt vesznek az áramvezetésben, erre utal a bipoláris tranzisztor elnevezés. Az npn és a pnp struktúrájú tranzisztorok működése lényegében nem tér el egymástól, csupán az egyenfeszültségek polaritása, illetve az egyenáramok iránya ellentétes

34 Tranzisztor karakterisztikák
Bemeneti Kimeneti A tranzisztor kivezetéseire jutó feszültségek és a kivezetéseken átfolyó áramok közötti összefüggéseket általában jelleggörbékben adják meg. Ezek közül legfontosabb a bemeneti és a kimeneti jelleggörbe sereg ismerete. Ezek alapján tárgyalhatók pl. a kisjelű erősítők, a kapcsolóüzem, stb. Mivel a kimeneti oldal UCE feszültsége visszahat a bemenetre, ezért meg kell adni, hogy mekkora UCE kollektor-emitter feszültségre vonatkozik a jelleggörbe. Záróirányban a maradékáramot és a letörési feszültséget elegendő ismerni. A kimeneti karakterisztika az állandó bázisáramhoz tartozó kollektor áram változást adja meg az UCE kollektor-emitter feszültség függvényében. Az IB = 0 bázisáramhoz tartozó jelleggörbe a zárási tartományt, az UCB = 0 jelleggörbe pedig a telítési tartományt határolja.

35 Tranzisztor működése lineáris üzemben
UBE > 0 és az UBC < 0 ICE = B*IBE IB = IBE − ICB0 IC = ICB0 + B*IBE IE = IBE + B*IBE = (B + 1)*IBE IE = IC + IB IBE = IB + ICB0 IC = ICB0 + B*( IB + ICB0 ) = B*IB +(B+1)*ICB0 IE = (B+1)*( IB + ICB0 ) = (B+1)*IB +(B+1)*ICB0 IC = B*IB IE = (B + 1)*IB A tranzisztor normál aktív tartományban működik, ha a bázis-emitter átmenet igénybevétele nyitóirányú, a bázis-kollektor átmeneté pedig záróirányú. B a közös emitterű egyenáramú (nagyjelű) áramerősítési tényező, értéke: A normál aktív tartomány jellemzője, hogy a bázis-emitter átmenet kis értékű áramának hatására a kollektor-emitter átmeneten nagy értékű áram folyik.

36 Tranzisztor felhasználási területei
Erősítő eszközként (analóg áramkörökben): a kimeneten mért teljesítmény nagyobb, mint a bemeneten mérhető teljesítmény. Az ehhez szükséges energiát általában egy egyenfeszültségű forrás biztosítja. Kapcsolóként: Kis bemeneti teljesítményigénnyel a kimeneten a nagyteljesítményű terhelés ki/be kapcsolható. Digitális áramkörökben logikai kapuk megvalósítása. Erősítő eszközként (analóg ramkörökben)

37 Tranzisztor kapcsoló üzeme
Telítési vagy zárási tartományban van ilyenkor Vezérlőteljesítménye kicsi, nagy a teljesítményerősítése Bekapcsolási és kikapcsolási ideje rövid, μs nagyságrendű, gyors, periodikus átkapcsolásra alkalmas Hosszú élettartam, nagy megbízhatóság jellemzi Bekapcsolt állapotban ellenállása kicsi (mΩ nagyságrendű) Kikapcsolt állapotban ellenállása nagy (MΩ nagyságrendű)

38 Tranzisztor kapcsoló üzeme
Telítési mód: UBE > 0 és UBC > 0 A telítési tartomány határa az UBC = 0 UBE = UCE UCEsat maradékfeszültség ≈ 0,1-3V Lezárási mód: UBE < 0 és UBC < 0 Közelítőleg szakadásként viselkedik ICB0 = IBE0 = 0, mA Ebben az üzemmódban a tranzisztor mindkét átmenetére nyitóirányú feszültség jut, tehát UBE > 0 és UBC > 0. A nyitott pn átmenetek kis ellenállása miatt az áramot főképp a külső hálózat határozza meg. A telítési tartomány határa az UBC = 0 ér- tékhez tartozik, ekkor UBE = UCE. A telítéshez tartozó kollektor-emitter feszültséget UCEsat maradékfeszültségnek, másképpen szaturációs feszültségnek nevezik. Értéke: 0,1-3V. Ha mindkét pn átmenetre UBE < 0 és UBC < 0 záróirányú feszültség jut, a tranzisztor közelítőleg szakadásként viselkedik, a pn átmeneteken záróirányú áramok folynak. A záróirányú áramok értékei: ICB0 = IBE0 = 0, mA.

39 Tranzisztor kapcsoló üzeme

40 Speciális tranzisztorok
Darlington-tranzisztor: Ha egy tranzisztor áramerősítési tényezője nem elegendő, akkor a tranzisztorokat egymás után kötve megnövelt áramerősítést kapunk.

41 Speciális tranzisztorok
Schottky-tranzisztor: Nem enged töltést felhalmozni a CB átmenetben, így nem lesz töltéstárolási idő. Nagyobb megengedett kapcsolási frekvencia érhető el.

42 Tranzisztor tokozások

43 Térvezérelt tranzisztorok (unipoláris)

44 Záróréteges FET (JFET)
N szennyezésű csatorna Merőleges p szennyezésű réteg Záróirányú előfeszítés miatt a kiürített réteg vastagsága nő Hőmérsékletfüggő rétegvastagság Nincs sörétzaj Záróirányú feszültség hatására kiürített réteg nő, a töltéshordozók koncentrációja alacsony Ugs=0 esetén a csatorna a legszélesebb, ellenállása a legkisebb Egy adott Up=Ugs elzáródási feszültségnél a csatorna elzáródik Sörétzaj nincs, mivel nincs potenciálgát, termikus és flicker zaj továbbra is fellép

45 JFET transzfer karakterisztika
Maximális meredekség Ugs=0

46 JFET transzfer karakterisztika hőfokfüggése
Idz a hőmérséklet-független munkapont

47 JFET kimeneti karakterisztika
Ohmos tartományban a görbéknek nem azonos az iránytangense Aktív tartományban lineáris erősítő

48 JFET lineáris üzem Erősítési felhasználás
A tranzisztor ugyanolyan körülmények mellett: Egy nagyságrenddel nagyobb meredekség Zaja a sörétzaj miatt jelentősen nagyobb Rosszabb nagyfrekvenciás tulajdonságok Munkapont beállítás feszültséggel JFET paraméterek szórására és a hőmérsékletfüggésre figyelmet kell fordítani tervezéskor

49 Növekményes MOSFET Feszültségmentes esetben nincs csatorna
A csatorna pozitív Ugs hatására alakul ki úgy, hogy a hordozó rétegben lévő negatív töltéseket a gate alatti szigetelőhöz vonzza Nagyobb ellenállás, mivel a gate nincs közvetlen kapcsolatban a vezető réteggel (jó szigetelő SiO2 választja el) Feszültségmentes esetben nincs csatorna A csatorna pozitív Ugs hatására alakul ki úgy, hogy a hordozó rétegben lévő negatív töltéseket a gate alatti szigetelőhöz vonzza. A gate közelében keletkező lyuk-elektron párokat taszítja, így a szabad elektronok feldúsulása kialakítja a csatornát, amely rohamosan nő a küszöbfeszültség felett.

50 Kiürítéses MOSFET Feszültségmentes esetben van csatorna
A csatorna negatív Ugs hatására tűnik el D-S közé adott feszültség hatására telítési áram folyik Negatív Ugs hatására a csatorna elszegényedik JFET esetén pozitív Ugs a pn átmenet kinyitását eredményezné ezért tilos rákapcsolni

51 MOSFET kapcsoló üzeme Működését kapcsoló üzemben a szórt kapacitások határozzák meg Nagy sebesség Kis vezérlési teljesítmény Alacsony veszteségek

52 MOSFET kapcsolóüzemi tartományok
Ohmos tartomány Zárási tartomány

53 Félvezetők zaja Termikus vagy Johnson zaj: Sörétzaj:
0K felett zaj Hőmérsékletfüggő Alkatrészre jutó jel-sávszélesség függő Teljesítménysűrűség spektruma egyenletes eloszlású Sörétzaj: Potenciálgáton történő áthaladás FET sörétzaja jelentősen kisebb, mint a tranzisztornak Villódzási vagy flicker zaj: Rácstorzulás és nem teljesen tiszta anyagok miatt Mértéke technológiai módszerekkel befolyásolható Teljesítménysűrűség spektruma a frekvenciával arányosan csökken Minden alkatrész (aktív, passzív) 0K felett zajt termel Teljesítménysűrűség spektruma a teljes frekvenciatartományban egyenletes eloszlású A töltéseknek a potenciálgáton történő áthaladásakor keletkezik. A keletkezett zajáram effektív értéke arányos az átfolyó árammal (I) és a sávszélességgel A tranzisztor két pn átmenetet tartalmaz Zajáram függ az átfolyó áramtól és a sávszélességtől (K empirikus konstans) A zajok együttesen befolyásolják a félvezető működését, jellemző érték az F zajszám (katalógus adat). A teljes áramkörre nem a zajszámot, hanem a jel/zaj viszonyt használjuk (SNR [dB]).

54 Optoelektronika A fényelektromos eszközök képesek elektromágneses sugárzást kibocsátani, amikor áram halad rajtuk keresztül, vagy az elektromágneses sugárzás elnyelésével mérhető villamos mennyiségek előállítására (pl. feszültség, áram, ellenállás változás) Optoelektronikai eszközök lehetnek: Foton emittáló Foton detektáló

55 Fénytechnikai alapfogalmak
Fényáram (Ф) A fényáram az időegység alatt F felületen áthaladó fénykvantumok száma. Mértékegysége lumen [lm]. Fényerősség (I) és Térszög (Ω) Fénysűrűség (B) A megvilágítás erőssége (E)

56 Az optoelektronikai eszközök hullámtartománya (optikai spektrum)
A fény hullámhossz tartományai: 100nm - 380nm ultraibolya (UV) 380nm - 760nm látható fény 760nm - 50µm infravörös tartomány (IR) Az infravörös tartomány: 0,76 - 1µm nagyon közeli IR 1 - 3µm közeli IR 3 - 8µm rövidhullámú IR 8 - 14µm hosszúhullámú IR µm távoli IR A legtöbb optoelektronikai eszköz csak a nagyon közeli és a közeli IR tartományban érzékel, illetve sugároz, így ez a tartomány kiemelten fontos az optoelektronikában.

57 Az emberi szem érzékenysége

58 Hőmérséklet hatása A becsapódó fotonok hatására lyuk-elektron párok generálódnak. Ugyanez a folyamat játszódik le a hőmérséklet hatására is. A két jelenség nehezen elválasztható egymástól, ráadásul pl. a detektorok a kiürített rétegüket használják detektálásra, ahol eleve kevés szabad töltéshordozó van, és az is a hőmérséklet hatására keletkezett. Az optoelektronikai eszközök erősen hőmérséklet-függőek (különösen igaz ez a detektorokra). Csak kis áramok engedhetők meg!

59 Öregedés Az optoelektronikai eszközök jelentős részénél megfigyelhető a paraméterek változása (romlása) az idővel. Ezt a jelenséget nevezzük öregedésnek (karakterisztika degradációnak). Az öregedés általában nem jelent műszaki problémát, mert az eszközök jelentős részénél a berendezések erkölcsi élettartama lényegesen rövidebb, mint a fizikai élettartam, így az eszközöket nem használjuk fel az érzékelhető paraméterromlás (karakterisztika degradáció) határáig.

60 Félvezetők csoportosítása
A félvezetők azon tulajdonságaik alapján, hogy a töltéshordozók gerjesztésekor hullámszámvektor változás is bekövetkezik-e vagy sem, két csoportra oszthatók: Direkt félvezető (fotoadók és vevők) Indirekt félvezető A direkt félvezetők elsősorban fotont (fény) sugároznak ki, még az indirekt félvezetőknél a fonon (hő) kisugárzás a jellemző.

61 Fotovevők (detektorok)
A detektorok feladata az optikai spektrum tartományába eső fényjelek átalakítása villamos jellé. Átalakítás során fellépő zajok: foton zaj (elsősorban háttérsugárzás miatt) a detektor zaja (termikus zaj, sörétzaj, flicker zaj) a jelkondicionáló által termelt zajok (termikus zaj, sörétzaj, flicker zaj).

62 Detektálási küszöb A detektorok a rendszerben fellépő zajok feletti jeltartományt tudják csak detektálni. A detektálási küszöb meghatározására szolgál a NEP (noise equivalent power, zajjal egyenértékű jelteljesítmény) A NEP azt a hasznos jelet mutatja, ami felett a detektálás már végrehajtható. Ez a paraméter azonban nem tartalmazza a sávszélesség (B) és a detektálási felület (Ad) hatását, ezért csak azonos elven működő szenzorok jellemzésére alkalmas.

63 A detektorok detektálási tartománya
A detektor a detektálási küszöbérték felett, egy meghatározott hullámhossztartományban képes a jelet detektálni.

64 Fotoellenállás Light Dependent Resistor, LDR A félvezetőben a becsapódó fotonok hatására lyuk-elektron párok keletkeznek. Az így keletkezett szabad töltéshordozók növelik az anyag vezetőképességét, azaz csökkentik az ellenállását. A vezetőképesség változása függ az abszorpciós tényezőtől (azaz a befogott fotonok aránya a detektor felületet érő összes fotonhoz viszonyítva) és a megvilágítás idejétől. A hőmérséklet hatására is hasonló jelenség játszódik le, ezért az így keletkezett jel fotonzajt okoz. A fotoellenállások lehetnek: Intrinsic (sajátszennyezésű) Extrensic (szennyezett félvezető alapanyag)

65 Fotoellenállás transzfer karakterisztikája
Az ellenállás-változás mértéke tipikusan: A kis megvilágítások tartományában a fotoellenállás különösen hőmérsékletfüggő.

66 Fotoellenállás dinamikus viselkedése
A fotoellenállás nagy fel- és lefutási időállandókkal rendelkezik, különösen a világosról sötétre váltásnál. Az az oka, hogy a saját belső melegedés korlátozása érdekében csak nagyon kicsi áram engedhető meg a fotoellenálláson. Ahogy a megvilágítás csökken, a felhalmozott szabad töltéshordozókat ki kell üríteni, de az alacsony áram, amely a sötétre váltás miatt még tovább csökken (lásd transzfer karakterisztika) nagyon lassan tudja csak kiüríteni azokat. A tipikus időállandó ~ms nagyságrendű, de extrém esetekben a ~100ms is lehetséges.

67 Felhasználási területek
Nagy érzékelési felületeket, de dinamikus viselkedést nem igénylő alkalmazások pl.: Fényerősség mérők, alkonykapcsolók, összsugárzás-mérők, Félvezető anyag alapján készíthető csak bizonyos hullámhosszra érzékeny eszközök (pl. csak vörös, kék, zöld színre, infra tartományra stb.) Alkalmazási feltételek: A detektor árammal nem terhelhető, mivel a veszteségi teljesítmény a belső hőmérsékletet növeli, ami a detektálási küszöböt megemeli (rontja). Olyan ellenállás-változáson alapuló mérő kapcsolásokban használható, amelyek nem árammal terhelik a szenzort, pl. feszültség híd-kapcsolások.

68 Foto-elektromos jelenségek a pn átmenetben
A beeső foton hatására a kiürített rétegben lyuk-elektron párok generálódnak, amelyek a réteg határához mozogva csökkentik a kiürített réteg határát. A keletkező lyuk-elektron párok mennyisége a beeső fotonok számától függ (eltekintve a hőmérséklet hatására keletkező lyuk-elektron pároktól). Természetesen a többségi töltéshordozókat tartalmazó rétegben is lejátszódik hasonló jelenség, itt azonban a keletkező szabad töltéshordozók száma a többségi töltéshordozókhoz képest elhanyagolhatóan kicsi, így detektálni sem lehet azokat. A beeső fotonok hatására megváltozott kiürített réteg az alapállapotban kimeneti kapcsain villamosan semleges (nem mérhető kimeneti feszültség) alkatrésznél a kimeneti kapcsokra feszültséget (diffúziós) generál, anélkül, hogy külső segéd energiaforrást alkalmaznánk.

69 Foto-elektromos jelenségek a pn átmenetben

70 Kimeneti karakterisztika (Si alapú)
Fotoelem Fényelem (napelem) Ifoto: fény hatására keletkező töltéshordozók árama ULo: üresjárási feszültség Iz: zárlati áram

71 Fotoelem A kimenetet üresjárásban használva a keletkező feszültség detektálható, így a beeső fény mennyisége is meghatározható. Az üresjárási feszültség: Ebben az üzemállapotban detektorként használjuk az alkatrészt. Előnye: Nem igényel külső táplálást Jó detektálhatóság (nincs rekombinációs zaj) Hátránya: lassú működés 1-100µs (nincs áram, így a töltéshordozók kiürítése lassú, lásd fotoellenállás) öregedésre hajlamos Gyakran alkalmazzák kis teljesítményigényű fogyasztók energia ellátására pl. kalkulátorok, LCD digitális órák, stb. ahol mW vagy μW teljesítmény igény lép fel.

72 Fényelem A detektor speciális felületi kialakítású, a minél nagyobb foton abszorpció miatt. Az egyes cellák soros-párhuzamos kapcsolásával lehet az áramot, illetve a feszültséget növelni.

73 Fényelem

74 Fotodióda A fotoelemeknél a detektáló felület a kiürített réteg.
Ennek nagysága növelhető, ha a pn átmenetre záró irányú feszültséget kapcsolunk. A megvilágítás a dióda záró irányú áramát növeli, ami a kisebbségi töltéshordozók áramának irányával megegyező A zárt áramkörben keletkező fotoáram detektálható, ami a megvilágítás erősségétől függ, a záró irányú feszültségtől szinte független A tipikus felfutási/lefutási idő < 1µs.

75 Fotodióda karakterisztika

76 Alkalmazás detektálásra
Előnyei: Gyors Kis terjedési idő Jó detektálhatóság Hátrányai: alacsony jelet szolgáltat, amelyet erősíteni kell a pn átmenet miatti zaj a lezárt pn átmenet erős hőmérsékletfüggése

77 Alkalmazás detektálásra

78 PIN fotodióda A két réteg közé beintegrált sajátvezetési (intrinsic) rétege van. Az intrinsic réteg megnöveli a kiürített réteg szélességét. A kiürített rétegben található kevés szabad töltéshordozó fel tud gyorsulni a maximális sebességre anélkül, hogy ütközne (nagy a töltéshordozók szabad úthossza). A nagy töltéshordozó sebesség miatt az eszköz gyors lesz (a jelterjedési idő ns nagyságrendű). A PIN diódát elsősorban gyors, impulzusszerű jelek detektálására használjuk, pl. lézer dióda jelének detektálására. Az elérhető jelterjedési idő ~10-50 ps.

79 Fototranzisztor Detektálásra a lezárt átmenet alkalmas, ami tranzisztornál normál üzemben a C-B átmenetnél áll fenn. Az E-B átmenet nyitott állapotra van előfeszítve normál üzemben, ami a nagyszámú töltéshordozó miatt nem alkalmas a hozzá képest jelentősen kisebb számban fotonok által generált töltések detektálására. A kollektor réteg nagy felületű a jó detektálhatóság érdekében. A foton hatására az átmenetben keletkező töltéshordozók a bázisba jutva ugyanúgy vezérlik a tranzisztort, mint az a normál tranzisztornál külső forrásból származó bázis árammal történik. A lezárt átmeneten azonban nemcsak a foton gerjesztette áram (if) folyik, hanem a kisebbségi töltéshordozók árama (io) is. Ezt az áramot sötétáramnak nevezzük, mivel E = 0lx megvilágítás esetén is folyik. A két áram összege a tényleges bázisáram:

80 Kimeneti karakterisztika

81 Fototranzisztor kivezetett bázis nélkül
Ez a leggyakoribb alkalmazási mód. Ebben az üzemmódban a fény meglétét kell detektálni, nem pedig annak abszolút értékét. A tranzisztort külső tápforrásból előfeszítjük, de nem állítjuk munkapontba, így lineáris erősítésre nem alkalmas. Fő felhasználási területe: optocsatolók, közelítéskapcsolók, vonalkód leolvasók, stb.

82 Foto-FET Működési elvét tekintve egy fotodióda és egy MOSFET kombinációjának tekinthető. A fotodióda által generált töltéshordozók építik fel a növekményes MOSFET csatornáját. A MOSFET vezérlő elektródájával előfeszítve elérhető, hogy sötétben éppen ne folyjon áram a drain és a source között és így az eszköz már rendkívül kicsi megvilágítások esetén is detektálható jelet adjon. Előnyök: alacsony zaj (nincs sörétzaj) nagyon jó detektálhatóság nagyfokú linearitás, különösen alacsony megvilágítások tartományában

83 Fotoadók (emittálók) A fénytartományba sugárzó eszközök a direkt félvezetők, amelynek jellemző alapanyagai a GaAs, GaN. A félvezetőben lejátszódó rekombinációs folyamat energialeadással jár, aminek az eredménye lesz a fénykibocsátás Az eszköz működés során nyitóirányban vannak előfeszítve A nyitófeszültség értéke alapanyag függő (hagyományos LED esetén ~2-3 V) A fotoadók legjellemzőbb típusai: IRED (InfraRed Emitting Diode, IR tartományban sugároz), LED (Light Emitting Diode, látható fény tartományban sugároz), Szilárdtest dióda lézer (Solid State Diode Laser, IR tartományban sugároz).

84 IRED A leggyakrabban alkalmazott GaAs anyagok a közeli IR tartományban sugároznak. Jellemzőik: Az elérhető hatásfok 1..5%-a a bevezetett villamos teljesítménynek. A kisugárzott fény spektruma szűk sávban mozog, monochromatikus fényforrás. A kapcsolat a bevezetett villamos áram és a kisugárzott fény intenzitása között egy sávban lineáris, de kis és nagy jelek tartományában eltér az ideálistól. A hőmérséklet növekedésére a relatív fényerő csökken. A kisugárzás irányfüggő, a sugárzási kúp keskeny nyílásszögű.

85 LED (világítódióda) Csoportosításuk:
hagyományos kisteljesítményű LED nagyfényerejű kisteljesítményű LED nagyfényerejű nagyteljesítményű LED Az egyes csoportok eltérő anyagúak, illetve konstrukciójúak. A hagyományos LED-ek esetén az IR tartományból a láthatófény tartományba a spektrumot szennyezéssel tolják el. GaAsP - vörös dióda GaAsP:N - sárga dióda GaP:N - zöld dióda A hideg színek felé haladva a hatásfok egyre romlik.

86 LED

87 IRED és LED karakterisztika
A nyitóirányú feszültség szín- (szennyezés) függő.

88 LED

89 LED munkapont beállítása
A fényerősség egy bizonyos nyitóirányú áramérték felett nem változik számottevően, ezért áramgenerátoros táplálást alkalmaznak.

90 Sugárzási kúpszög és fényerő
A sugárzási kúpszög a legtöbb alkalmazáshoz nem elegendő, ezért azt külső reflektorral jelentősen megnövelik. A relatív fényerő a hőmérséklettel csökken.

91 Lézer dióda (SDL) A LED és IRED optikai spektruma széles, a kilépő fotonok fázishelyzete véletlenszerű, összehasonlítva a lézer diódákkal. A pn átmenetnek van olyan koherens, irányított kimeneti jele, amely nagyon keskeny sávban fordul elő. Optikai visszacsatolás segítségével a koherens jelet erősíteni lehet. A visszacsatolást vagy dielektromos tükör-réteggel vagy reflektor réteggel (pl. arany) érik el. A dióda lézerek lehetnek egy rétegűek vagy több rétegűek. Lézer fény tulajdonságú eszközöket különböző anyagokból és eljárással építenek, pl. rubin lézer, CO2 lézer, stb. A félvezető technikában GaAs-alapú lézerek az elterjedtek, amelyek méréstechnikában, információ átvitelben és kisenergiájú alkalmazásokban használatosak. A dióda-lézer a LED diódák elvén működik, kiegészítve reflektor réteggel és hullámvezetővel, amely az elektron-sokszorozódást biztosítja.

92 Optoelektronikai adó-vevők
Két alapvető típusuk azon alapul, hogy a két eszköz között a fény útjába kívülről be lehet-e avatkozni vagy sem. Az átvihető információ lehet a fény jelenléte vagy hiánya, lehet alapsávi digitális vagy modulált analóg. A tisztán analóg átvitelt (a nemlineáris karakterisztika miatt) csak korlátozott körülmények között és egyszerűbb követelmények esetén lehet alkalmazni. Az adó általában IRED (optocsatolók, érzékelők, közelítéskapcsolók) vagy lézer dióda (üvegszálas átvitel). A vevő azonban bármely ismert optoelektronikai detektor lehet, bár leginkább fotodióda vagy fototranzisztor. Fajtái: Optocsatolók Optoérzékelők Forgó jeladók Lineáris jeladók, stb.

93 Optocsatolók Az eszköz egy tokban szerelt adót és vevőt tartalmaz.
Az optocsatolók zárt fényúttal rendelkeznek. Kívülről a fény útjába nem lehet beavatkozni. Alapvető feladatuk a galvanikus elválasztás és a szigetelt jelátvitel (az átütési feszültség kV tartományban van, nincs fémes áramköri kapcsolat a két oldal között). Alapvetően a fény meglétét vagy hiányát detektálja a vevő, de korlátozottan megoldható a szigetelt információ átvitel is. Az optocsatolók átviteli karakterisztikája (csatolási tényező) az alkalmazott adó-vevő kombinációtól függ, fotodióda esetén kb. 0,1- 0,3, fototranzisztor esetén kb )

94 Optoérzékelők Az optoérzékelők (inicializátorok) olyan adót és vevőt tartalmazó eszközök, amelyek kiképzése lehetővé teszi a fény útjába történő külső beavatkozást: Rés-inicializátor reflexiós (diffúziós) közelítéskapcsoló (proximity switch) Fénysorompó (nagyobb távolságokra)

95 Forgó jeladók Abszolút jeladó: Inkrementális jeladó:
Az abszolút jeladók az elmozdulás mindenkori aktuális szögének a kódját szolgáltatják Egy állandó fényforrásból (LED/IRED megvilágított forgótárcsa van, amelyen az alkalmazott kódnak megfelelő optikailag átlátszó körívek vannak kiképezve (annyi, amennyi a pozíció jellemzésére alkalmazott digitális kód hossza). Inkrementális jeladó: Nincs a pozíció kódokat tartalmazó tárcsa, hanem helyette van egy forgó tárcsa (kódtárcsa) egyenletes résnyílásokkal (üveglapra maratással felvitt opálos és átlátszó rések), Vele szemben pedig egy álló réslemez, amelyen annyi nyílás van kiképezve ahány optikai adó (IRED) van a kódtárcsával szemben.

96 Abszolút pozíció jeladó

97 Inkrementális jeladó

98 Köszönöm a figyelmet!

99 Felhasznált irodalom Dr. Kovács Ernő – Elektronika I.-II. (Miskolci Egyetem előadás jegyzet) Robert Bosch GmbH - Bosch Automotive Electronics and Automotive Electronics, Springer (5th edition) Zombori Béla – Elektronika Dr. Borbély Gábor: Elektronika I. (előadás jegyzet) Mészáros Miklós – Félvezető eszközök, áramköri elemek I.-II.