Elektronika (konspekt)
Franciszek Gołek ([e-mail])
www.pe.ifd.uni.wroc.pl
Wykład 05 i 06
Obwody rezonansowe, transformatory, oscyloskop, układy
diodowe.
Dobroć Q (Q-factor, quality factor) jest miarą ostrości krzywych
rezonansowych. Dla pasmowego filtra z obwodem rezonansowym (jak
na rysunku obok) jest zdefiniowany jako: Q = Érez/"É3dB = frez/"f3dB.
Q można wyrazić za pomocą wartości elementów filtra RLC.
Np. gdy UWY = UR to ku = |UR/URLC| i kumax = 1 ku/kumax =
Zatem Q = ÉrezL/R. Dodajmy, że w elektronice poza dobrociÄ…
układów rezonansowych mówi się o dobroci innych układów czy
elementów. Przykładowo dobroć cewki zdefiniowana jest jako stosunek:
ÉL/R (gdzie L-indukcyjność cewki, R oporność cewki).
Traktując kondensator jako równoległe połączenie idealnej pojemności i
rezystancji R (reprezentującej straty dielektryczne) definiujemy dobroć
kondensatora jako stosunek prÄ…dów IC/IR = (U/XC)/(U/R)=R/XC= ÉCR.
Wynika z tego, że układy o dużej dobroci to takie, które  marnotrawią
mało energii na straty w rezystancjach przewodów cewki i rezystora R.
Transformator
Transformator to dwa, magnetycznie ze sobą sprzężone, uzwojenia
pozwalające na zmianę wartości napięcia (i prądu) zmiennego przy
niezmienionej (w przybliżeniu) mocy. Działanie transformatora opiera się na
prawie Faradaya:
gdzie z  liczba zwoi,Ś  strumień magnetyczny w rdzeniu transformatora e 
siła elektromotoryczna. Widać, że do wytworzenia siły elektromotorycznej
potrzebny jest zmienny strumień magnetyczny (niezerowa pochodna po
czasie). Zatem transformator nie jest urządzeniem na prąd stały!
Transformator został odkryty przez Faradaya w 1831r.,a następnie przez
Williama Stanleya 1885 r. i zastosowany w instalacji oświetleniowej
w Ameryce (w Massachusetts transformator podnosił napięcie z 500V na
3000V na początku linii o długości 1219 m a na jej końcu inny transformator
obniżał je z powrotem do 500V).
Transformator
Transformator oprócz dwóch (co najmniej) uzwojeń zwykle zawiera rdzeń
prowadzący strumień magnetyczny. Rdzeń nie może być jednolitym
przewodnikiem gdyż w czasie pracy pojawiałyby się duże prądy wirowe
przynoszące duże straty energii. W praktyce, aby zapobiec znacznym stratom
mocy rdzenie zbudowane są z wielu ściśniętych ale odizolowanych
elektrycznie od ciebie blach (warstw materiaÅ‚u o dużym µ) lub materiałów o
dużej rezystywności (oporze właściwym).
StratÄ™ mocy zwiÄ…zanÄ… z prÄ…dami wirowymi i przypadajÄ…cÄ… na jednostkÄ™
objętości można obliczyć ze wzoru:
w którym: Bm  amplituda indukcji magnetycznej, d  grubość blachy; f
czÄ™stotliwość; Á  rezystywność materiaÅ‚u ferromagnetycznego. Widać, że
straty mocy od prądów wirowych są proporcjonalne do kwadratu iloczynu
indukcji magnetycznej, częstotliwości i grubości blachy oraz odwrotnie
proporcjonalne do rezystywności. Przy zadanej częstotliwości i indukcji
magnetycznej obniżenie strat od prądów wirowych można zatem uzyskać
przez zastosowanie bardzo cienkich blach izolowanych papierem lub lakierem,
albo stosując materiał ferromagnetycznego o dużej rezystywności.
Transformator
Ważną przy wielu zastosowaniach transformatorów jest możliwość tzw.
dopasowywania impedancji z
ródła i obciążenia. Bezpośrednie połączenie
obciążenia do zacisków z
ródła napięcia oznacza, że maksymalny przekaz
mocy ma miejsce przy impedancji obciążenia równej impedancji z
ródła.
Gdy jednak zastosujemy trafo o przekładni na przykład obniżającej napięcie P-
krotnie P = N2/N1 < 1 to napięcie na zaciskach uzwojenia wtórnego (tam gdzie
podłączamy odbiornik mocy) będzie P-krotnie mniejsze a prąd P-krotnie
większy przy maksymalnym przekazie mocy. Oznacza to, że impedancja
odbiornika dopasowywana do impedancji wewnętrznej z
ródła powinna spełniać
relacjÄ™ Zodbiornika/Zz
ródła= P2.
Dzięki trafo impedancja odbiornika
nie musi być równa impedancji z
ródła!
Transformator
Dzięki N. Tesli już pod koniec XIX wieku zaczęto stosować transformatory w
elektrotechnice i energetyce. Tesla pod koniec XIX wieku wygrał spór z
Edisonem o to czy w sieci energetycznej powinien być prąd stały czy zmienny.
Pamiętajmy, że ekonomiczne przesyłanie mocy U" I na
znaczne odległości ma miejsce wtedy gdy U jest duże a I
małe (małe straty bo małe grzanie kabli). Napięcie jest
za pomocą transformatorów podwyższane w miejscu
wytworzenia energii elektrycznej a na końcach
wysokonapięciowych linii przesyłowych u odbiorców energii
napięcie jest obniżane do odpowiednich bardziej
bezpiecznych wartości. Tesla wymyślił wirujące pola
magnetyczne dla silników dużej mocy i stworzył podstawy
trójfazowej energetyki.
Transformatory
w elektronice
spotykamy głównie jako transformatory sieciowe w zasilaczach.
Transformator pozwala na odizolowanie galwaniczne dwóch obwodów
pozostawiając bardzo dobrą wymianę energii między nimi.
Dla bezpieczeństwa często na stanowisku pracy stosowane są tzw.
transformatory separujące. W lutownicach transformatory obniżające
napięcie (np. do 24 V) obniżają ryzyko uszkodzenia delikatnych układów
scalonych podczas montażu. Stosunek ilości zwoi uzwojenia wtórnego i
pierwotnego, zwany przekładnią (przełożeniem) określony jest przez: N2/N1=U2/
U1=I1/I2 (U1I1H"U2I2). Przekrój rdzenia jest wprost proporcjonalny do pierwiastka
z przekazywanej mocy S = c"P [cm2] (gdzie: P przekazywana moc w watach, c
H" 1,2; ). Wadami sÄ…: histereza rdzenia, straty energii w rdzeniu (prÄ…dy wirowe),
tzw. nasycenie rdzenia i możliwość przebicia między zwojami.
Parametry: przełożenie, moc, zakres częstotliwości, waga i rozmiary.
Autotransformator pozwala regulować wartość napięcia
zmiennego przez zastosowanie jednego wspólnego uzwojenia
z przemieszczalnym odczepem. Autotransformatory stosowane sÄ…
do płynnej regulacji napięcia wtórnego.
Autotransformator nie realizuje izolacji galwanicznej!
Oscyloskopy. Rozpoczynając omawianie obwodów z prądami zmiennymi
wskazanym jest poznać zasadę działania oscyloskopu  przyrządu do wizualizacji
napięć elektrycznych.
Oscyloskopy to najbardziej rozpowszechnione przyrzÄ…dy przeznaczone do
obrazowania sygnałów elektrycznych. Wyróżnia się oscyloskopy analogowe oraz
cyfrowe (są też oscyloskopy analogowo-cyfrowe i analizatory sygnałowe).
Oscyloskopy służą do obserwacji i rejestracji sygnałów elektrycznych, nawet kilku
jednocześnie. Wykorzystywany jest do badania przebiegów rozmaitych wielkości
fizycznych (po ich zamianie na sygnał elektryczny) w wielu laboratoriach badawczych.
Z powodu swych zalet są często stosowane do uruchomiania i diagnozowania nawet
bardzo skomplikowanych układów elektrycznych i elektronicznych. W oscyloskopie
wyróżniamy cztery podstawowe systemy: system wyświetlania, odchylania w pionie,
podstawa czasu i system synchronizacji. Zakończeniem systemu wyświetlania jest
ekran lub lampa oscyloskopowa, na której ekranie wyświetlany jest obraz badanych
wielkości fizycznych. Schemat blokowy prostego (jednokanałowego) oscyloskopu
analogowego wraz ze szkicem lampy oscyloskopowej zamieszczono na rysunku
poniżej (następna strona). Dla uzyskania świecenia luminoforu w lampie
oscyloskopowej konieczne jest wytworzenie wiązki elektronowej, w której energie
kinetyczne elektronów wynoszą kilka do 20 keV. Oznacza to, że w oscyloskopach
starszego typu (z lampą oscyloskopową) wytwarzane są napięcia do około 20 kV!
Najważniejsze parametry: Rozmiary ekranu, Pasmo częstotliwości, Liczba kanałów,
Czas narastania, Rozdzielczość, Czułość, Maksymalne napięcie wejściowe. W
oscyloskopach cyfrowych  głębokość pamięci i szybkość próbkowania,
Analogowy oscyloskop 2-kanałowy.
Badany sygnał jest po wzmocnieniu
kierowany bezpośrednio do odchylania
wiÄ…zki elektronowej przemieszczajÄ…cej siÄ™ po luminoforze
ekranu co powoduje kreślenie świecącej linii obrazującej
przebieg sygnału. Mamy tu bezpośrednie obrazowanie
sygnału.
Cyfrowy oscyloskop 2-kanałowy.
Oscyloskop cyfrowy próbkuje sygnał elektryczny, dokonuje
konwersji wartości analogowych na cyfrowe przy pomocy
przetwornika analogowo-cyfrowego ADC, a następnie
zapamiętane cyfrowe wartości wykorzystuje do obrazowania
zbadanego sygnału. W oscyloskopach
cyfrowych stosowane są ekrany płaskie
np. ciekłokrystalicznym  LCD.
Uproszczone przedstawienie napić doprowadzonych do płytek
odchylajÄ…cych lampy oscyloskopowej (Y w pionie i X w poziomie) oraz
uzyskany obraz.
Uproszczony schemat oscyloskopu
Badany sygnał poprzez tłumik o regulowanym tłumieniu dociera do
wzmacniacza odchylania pionowego Y, na wyjściu którego uzyskuje się
wzmocniony (i ewentualnie uzupełniony o kompensacje składowej
stałej) przebieg napięcia sterujący odchyleniem wiązki elektronowej
poprzez płytki Y. Dla dokonania pomiaru wielkości napięcia należy
pamiętać, że opis przełącznika skokowego (np. 1V/działkę,
10mV/działkę czyli 1V/cm, 10mV/cm itd.) jest aktualny tylko przy
skręceniu regulacji ciągłej w pozycję  kalibr tj. pozycję kalibracji. Na
powierzchni ekranu oscyloskopu znajduje się podziałka w postaci kratek
i kresek. Tu jedna działka = 1 cm a nie 2 mm! Opisy przełączników przy
gniazdach wejściowych: AC  oznacza, że wejście przyjmuje tylko
sygnał zmienny (sprzężenie pojemnościowe), DC  oznacza, że wejście
przyjmuje również składową stałą, GND  oznacza, że sygnał jest
odłączony a wejście jest zwarte do masy. Aby obraz na ekranie lampy
był stabilny tj. aby wiązka elektronowa periodycznie powtarzała ten sam
rysunek konieczna jest synchronizacji odchylania poziomego (podstawy
czasu) z badanym sygnałem.
Zatem część sygnału badanego kierowana jest do układu wyzwalania,
który steruje generatorem podstawy czasu i modulacją jaskrawości (tj.
intensywności wiązki elektronowej docierającej do luminoforu).
Pokrętłem poziom (ang. level lub trigger level) wybieramy wartość
napięcia sygnału, przy którym następuje wyzwalanie tj. rozpoczynanie
piło-zębnych impulsów dla płytek odchylania poziomego i impulsów
prostokÄ…tnych podawanych na cylinder Wehnelta (elektroda z otworem
otaczajÄ…ca katodÄ™) dla wypuszczania wiÄ…zki elektronowej. W przypadku
oscyloskopu wielokanałowego należy odpowiednim przełącznikiem
wybrać kanał, z którego pobierany jest sygnał synchronizujący (należy
wybrać sygnał najmocniejszy). W przypadku gdy mają być oglądane
sygnały bardzo słabe na wszystkich kanałach dobrą synchronizację
uzyskamy gdy odpowiedni sygnał podamy na wejście wyzwalania
zewnętrznego. Wejście wyzwalania zewnętrznego jest przydatne w
badaniach układów cyfrowych i przy obserwacji nieperiodycznych
sygnałów.
Podstawa czasu może być wyzwalana narastającym zboczem (znak
+) lub opadającym zboczem sygnału (znak - ). W śród rodzajów
wyzwalania można wymienić: a) normalne, b) automatyczne, c)
sygnałem telewizyjnym, d) jednorazowe. Szybkość ruchu plamki w
kierunku osi X można zmieniać w szerokim zakresie. Należy pamiętać,
że opis przełącznika skokowego (np. 1s/cm czy 10ns/cm itd.) jest
obowiązujący tylko przy ustawieniu pokrętła regulacji ciągłej w pozycję
kalibr. W oscyloskopach wielokanałowych (zwykle dwu-kanałowych
lub czterokanałowych) zastosowane są przełączniki elektroniczne
przełączające sygnały z kilu wzmacniaczy wejściowych na jeden
wspólny tor sterujący lampą oscyloskopową. Przełączniki te mogą mieć
dwa rodzaje pracy: a) praca przemienna (alternating)  przełączenie
odbywa siÄ™ podczas ruchu powrotnego plamki; b) praca siekana
(chopped)  przełączenie odbywa się wielokrotnie podczas każdego
kreślenia plamką od lewego do prawego brzegu ekranu. Dla ochrony
przed uszkodzeniami należy unikać podawania napięć większych niż
kilkadziesiąt V na wejścia oscyloskopu a kabel sieciowy włączać tylko
do gniazda z dobrym (tj. sprawnym) uziemieniem.
Brak obrazu badanego przebiegu lub plamki na ekranie
oscyloskopu może mieć następujące przyczyny: a) pokrętłem
przesuwu X lub Y przesunięto obraz poza obszar ekranu; b) przy
stałonapięciowym sprzężeniu podano na wejście Y (lub X) sygnał
o zbyt dużej wartości składowej stałej; c) podstawa czasu nie jest
wyzwalana; d) pokrętło jaskrawości skręcono do minimum.
W nowocześniejszych oscyloskopach cyfrowych instalowane są
liczne udogodnienia np. a) na ekranie pojawiajÄ… siÄ™ napisy
informujące o aktualnych zakresach podstawy czasu, czułości itp.;
b) kursory (zwykle dwie pionowe i dwie poziome linie) ułatwiają
wyznaczenie czasu trwania wybranego fragmentu badanego
przebiegu, jego częstotliwości, fazy oraz zmiany napięcia; c)
stosowane sÄ… tzw.
ekrany dotykowe, u których wybór funkcji oscyloskopu
dokonuje siÄ™ przez dotyk palcem odpowiednio opisanego miejsca
na ekranie.
Oscyloskop
cyfrowy
Dzięki szybkim przetwornikom analogowo-cyfrowym budowane są oscyloskopy
cyfrowe o częstotliwościach pobierania próbek ponad 1GHz
i paśmie przenoszenia ponad 10 GHz. Działanie takich oscyloskopów polega na
pobraniu n (np. 106) próbek i zapisaniu ich w pamięci. Pracę układu kontroluje układ
mikroprocesorowy pozwalający na wielostronną analizę badanych sygnałów.
Oscyloskopy cyfrowe budowane są również jako karty komputerowe a także jako
kieszonkowe (wielkości kalkulatora z ekranem ciekłokrystalicznym) do celów
diagnostycznych w warunkach terenowych. Często oscyloskopy konstruowane są jako
oscyloskopy analogowo-cyfrowe. Zamiast lampy oscyloskopowej mogą być stosowane
kineskopy monochromatyczne lub kolorowe. W oscyloskopach tych dzięki cyfrowym
podstawom czasu (zliczanie impulsów zegara kwarcowego) możliwe są bardzo
precyzyjne pomiary relacji czasowych badanych sygnałów. Precyzja pomiaru wielkości
napięć zależy od długości słowa przetwornika A/D, które często są 8-bitowe i dające
dokładność 1/28 tj. 1/256 zakresu.
W oscyloskopach cyfrowych oprócz obserwacji sygnału na bieżąco
można oglądać sygnał zamrożony w pamięci nieprzetworzony lub
przetworzony układem mikroprocesorowym w dowolnie pożądany
sposób (wygładzony, uśredniony z wielu sekwencji, w postaci diagramu
zawartości harmonicznych, zróżniczkowany itd.). W oscyloskopie
cyfrowym zbieranie danych może zachodzić niezależnie od chwili
wyzwalania i przebieg może być zapamiętany w dowolnej (regulowanej)
relacji czasowej do impulsu wyzwalania. Zwykle tzw. rekord rejestracji
(tj. n zamrożonych w pamięci próbek) jest wielokrotnie dłuższy od
rekordu obrazowania na ekranie. Pozwala to swobodnie obrazować
dowolne fragmenty i szczegóły raz zarejestrowanego przebiegu.
Oscyloskopy cyfrowe dysponują wieloma funkcjami, których brak w
oscyloskopach analogowych. Np. czuwanie (baby-sitting) oscyloskopu
tak długo, jak długo nie pojawi się impuls wyzwalający, który
spowoduje zamrożenie w pamięci tylko interesującej części ciągle
próbkowanego sygnału z wyprzedzeniem czasowym takim jakie zostało
z góry ustalone. Należy zaznaczyć, iż wyprzedzenia czasowe
ograniczone jest głębokością pamięci natomiast opóz
nienie czasowe
może być dowolne.
Elementy półprzewodnikowe
Początkowo podstawowym materiałem w technologii
półprzewodnikowej był german między innymi ze względu na
niskÄ… temperaturÄ™ topnienia (990°C). Szybko jednak okazaÅ‚o siÄ™,
że na podÅ‚ożu krzemowym (T. topnienia krzemu: 1410°C) można
uformować stabilny tlenek (SiO2) a na germanie nie. Ponadto
napięcie przebicia dla tlenku krzemy jest wyższe niż dla tlenku
germanu. PoczynajÄ…c od lat 1960-tych krzem dominuje w
technologii elementów elektronicznych. Warto porównać
przewodnoÅ›ci metalu np. miedzi: 0.59 Å" 106 S/cm; izolatora np.
szkła: 10-16 - 10-13 S/cm oraz półprzewodnika np. krzemu: 10-8 do
10-1 S/cm. Atomy krzemu i germanu tworzÄ… (poprzez hybrydyzacjÄ™ SP3)
sieci krystaliczne typu diamentu.
W metalu obecność dużej ilości elektronów w paśmie przewodnictwa (czyli w energetycznym
paśmie elektronów prawie swobodnych) powoduje, że mogą one stanowić znaczny prąd pod
wpływem znikomego pola elektrycznego. Te elektrony będąc swobodnymi mogą być przyspieszane
polem elektrycznym. W półprzewodnikach należy uwzględnić wiązania kowalencyjne, które
ograniczają przemieszczanie się elektronów, dopiero energia rzędu 1 eV w postaci kwantu światła
lub termicznych wibracji atomów może oswobodzić elektron (przenieść go z pasma walencyjnego
do pasma przewodnictwa). Przykładowo w temperaturze pokojowej w nie domieszkowanym
krzemie znajduje siÄ™ (w termicznej równowadze) ne = 1.5 × 1016 elektronów/m3 i tyle samo dziur.
Okazuje się, że prąd mogą stanowić (być przyspieszane) oprócz elektronów w paśmie
przewodnictwa również  dziury po elektronach w paśmie walencyjnym. Dzieje się tak dlatego, że
pole elektryczne wpływa na to, który elektron z otoczenia dziury ma największą szansę do niej
przeskoczyć. Przeskok elektronu walencyjnego do dziury oznacza przemieszczenie się dziury,
której ładunek elektryczny jest dodatni - jak wiemy dziura to brak elektronu neutralizującego.
Ponieważ ilość elektronów i dziur zależy od temperatury toteż wiele własności półprzewodników
zależy od temperatury. W praktyce stosowane są półprzewodniki domieszkowane w taki sposób
aby mieć albo nadmiar dziur (są to półprzewodniki tupu p) albo nadmiar elektronów (półprzewodniki
typu n). Domieszki dające typ n półprzewodnika nazywane są donorami (pierwiastki 5-wartościowe)
gdyż dodają elektrony do pasma przewodnictwa, natomiast domieszki dające typ p nazywane są
akceptorami (pierwiastki 3-wartościowe) gdyż pobierają elektrony z pasma walencyjnego generując
dziury. Choć oddzielny kawałek półprzewodnika ma mało interesujące własności i zastosowania to
już odpowiednio dobrze połączone dwie warstwy półprzewodnika jedna typu p a druga typu n dają
coś co jest szeroko stosowane w układach elektronicznych   złącze pn . Najprostrzym i szeroko
stosowanym elementem zawierającym takie złącze jest dioda prostownicza. Historycznie to to roku
1874 niemiecki fizyk Ferdynand Braun odkrył, że w pewnych warunkach obwody z kryształem nie
spełniają prawa Ohma, mogą przewodzić tylko w jednym kierunku  efekt prostowania.
Diody i złącza p-n. Prostym i często spotykanym
półprzewodnikowym a przy tym nieliniowym (nie omowym)
elementem jest dioda czyli pojedyncze złącze p-n. W równowadze
złącze p-n zawiera dyfuzyjną barierę potencjału a znikomy prąd
pokonywania bariery przez nośniki większościowe jest
równoważony znikomym prądem utworzonym przez nośniki
mniejszościowe (nośniki mniejszościowe tworzą prąd zgodny z
polem elektrycznym w barierze). Poziom Fermiego (tak jak
potencjał chemiczny) jest wyrównany w całej objętości układu p-n
dopóki nie przyłożymy zewnętrznego napięcia wymuszającego
prąd i pewne pochylenia poziomu Fermiego. Zależność prądu w
diodzie od napięcia przyłożonego na zaciski diody
(wymuszajÄ…cego pochylenie poziomu Fermiego, zmianÄ™
wysokości bariery i zmianę szerokości obszaru przejściowego)
ma przybliżaną postać:
gdzie: m parametr korekcyjny
(1 do 2), UT= kBT/q = 0.0255V
Linia przerywana
ilustruje złącze omowe
(kontakt omowy)
Złącza p-n. Jest to prawie bezdefektowe połączenie dwóch półprzewodników z domieszkami
(czyli półprzewodników niesamoistnych) o dwu różnych typach przewodnictwa elektrycznego p i n.
Półprzewodnik niedomieszkowany (samoistny) kiepsko przewodzi prąd elektryczny w temperaturze
pokojowej. Złe przewodnictwo wynika z faktu, że w takich materiałach elektrony walencyjne
(najsłabiej związane) są  unieruchomione wiązaniami kowalencyjnymi a minimalna porcja energii
konieczna do uczynienia jednego elektronu swobodnym wynosi około 1eV. Taka wartość energii
określana jest jako przerwa energetyczna między pasmem walencyjnym (przedziałem na skali
energii potencjalnej zajmowanym przez elektrony w wiązaniach międzyatomowych) a pasmem
przewodnictwa (przedziałem na skali energii potencjalnej zajmowanym przez elektrony
oswobodzone i mogące przemieszczać się po objętości materiału  przewodzić prąd elektryczny).
Przypomnijmy, że energia średnia  drgań termicznych w temperaturze pokojowej 300K wynosi
zaledwie E300K = staÅ‚a Boltzmana ×T = k×300K=0,026eV i jest zbyt maÅ‚a aby oswobadzać liczÄ…cÄ…
się ilość elektronów w jednostce czasu.
Domieszkowanie półprzewodnika silnie poprawia jego przewodnictwo elektryczne. Przykładowo
domieszkując 4-wartościowy krzem atomem pięciowrtościowym (donorem) tworzymy sytuację, w
której cztery elektrony domieszki biorą udział w wiązaniach kowalencyjnych a piąty jako słabo
związany (około 0,1eV) jest przez drgania termiczne oswobodzony ( wrzucony do pasma
przewodnictwa). Półprzewodnik, który zawiera znaczną ilość donorów nazywa się
półprzewodnikiem typu n, jego poziom Fermiego umiejscowiony jest blisko pasma przewodnictwa.
Poziom Fermiego to taki poziom energetyczny, dla którego prawdopodobieństwo
obsadzenia przez elektron wynosi ½.
PodobnÄ… poprawÄ™ przewodnictwa uzyskamy, gdy zamiast atomu krzemu wstawimy atom
trójwartościowy (akceptor). Powstanie wtedy jedno wolne miejsce w wiązaniach kowalencyjnych 
dziura, która jako puste miejsce po elektronie w paśmie walencyjnym może się przemieszczać.
Półprzewodnik, który zawiera znaczną ilość akceptorów nazywa się półprzewodnikiem typu p, jego
poziom Fermiego umiejscowiony jest blisko pasma walencyjnego.
Zauważmy, że donor po utracie piątego elektronu jest niemobilnym jonem dodatnim a akceptor
po przyłączeniu czwartego elektronu i  wypuszczeniu dziury jest niemobilnym jonem ujemnym.
Wynalazcą fotodetektora i pierwszego użytecznego złącza p-n w 1940r. był Russel Shoemaker Ohl.
Złącza p-n Podobnie jak w połączonych naczyniach z wodą wyrównuje się
poziom lustra wody tak w połączonych galwanicznie materiałach zawierających
mobilne nośniki ładunku (elektrony i dziury) następuje wyrównanie poziomu
Fermiego EF. Przemieszczenie ładunków pociąga za sobą wytworzenie skoku
potencjału elektrycznego w pewnym wąskim obszarze samego złącza pn. W
tym obszarze poziom Fermiego jest oddalony od pasm dozwolonych i mamy tu
niemobilne jony i brak mobilnych nośników ładunku, a zatem obszar złego
przewodnictwa elektrycznego!
Sytuację można
zmieniać przez
przyłożenie
zewnętrznej siły
elektromotorycznej,
która wymusi
pochylenie poziomu
Fermiego, a przez
to zmieni szerokość
obszaru złego
przewodzenia.
Diody  Diody działają jak  jednokierunkowe zawory zezwalające na
przepływ prądu tylko w jednym kierunku (od anody do katody).
Diody krzemowe
Napięcie otwarcia (początek dobrego przewodzenia)
diody krzemowej w temperaturze pokojowej wynosi
około 0,65 V (diody mocy mają napięcie progowe około 1 V). Ze względu na
małą szybkość przełączania głównym obszarem zastosowania diod
krzemowych są prostowniki w zasilaczach urządzeń elektronicznych. Do
prostowania (przewodzenia tylko w jednym kierunku) dużych napięć stosowane
są diody wysokonapięciowe, które w istocie stanowią szeregowe połączenie
określonej liczby diod (złączy pn).
W jednej obudowie. Napięcie otwarcia takiej kaskady diod jest wielokrotnie
większe od 0,65 V (tyle razy większe od 0,65 V ile diod znajduje się w
kaskadzie).
Ponieważ napięcie otwarcia diody zależy od jej temperatury, diody mogą być
stosowane do pomiaru temperatury. Dla diod krzemowych "V = -2(mV/K) ×
"T(K) co sprawia, że diody te stosowane są jako termometry w laboratoriach
kriogenicznych pracujÄ…ce w zakresie temperatur 1,8  400 K.
Diody germanowe nie wyszły z użycia ze względu na niski spadek napięcia 
0,3 V przy otwarciu (tj. przy polaryzacji w kierunku przewodzenia).
Dioda ogólnego zastosowania i dioda
prostownicza
powinny mieć duże graniczne napięcie zaporowe (wsteczne).
Diody Schottky ego (złącze metal-półprzewodnik)
wyróżnia mały czas przełączania, rzędu 100 ps. Napięcie
otwarcia około 0,3 V.
Diody Zenera (stabilistor), polaryzowane zaporowo,
stosowane są do stabilizowania napięcia i polaryzowane
zaporowo. Napięcia stabilizacji mogą wynosić od 2 do 200 V.
Napięcie otwarcia H" 0,6V.
Dioda pojemnościowa (warikap, waraktor) wykazuje
znaczną zmianę pojemności złącza. Pojemność maleje od
kilkuset pF do kilku pF ze wzrostem napięcia wstecznego.
Diody świecące (LED) mając silnie domieszkowane złącza
pn świecą gdy są spolaryzowane (zasilane) w kierunku
przewodzenia.
Z opornikiem zabezpieczajÄ…cym sÄ… uniwersalnymi detektorami
napięć.
Można jeszcze wymienić diody:
Dioda zabezpieczająca jest w zasadzie diodą Zenera, która potrafi tłumić
krótkotrwałe impulsy napięciowe. Są bardzo szybkie i wytrzymują wysokie
prądy chwilowe. Stosowane są jako zabezpieczenia przed zakłóceniami.
Dioda lawinowa jest diodą, która nie ulega zniszczeniu przy przekroczeniu
zadanego napięcia wstecznego. Nadmiar napięcia jest na niej neutralizowany.
Dioda lawinowa jest przydatna jako element zabezpieczający od przepięć.
Dioda o krótkim czasie wyłączania (około 1 do 100 ns) jest
stosowana w układach przełączających.
Diody PIN mają wbudowaną dodatkową warstwę między obszarami P i N.
Diody PIN są używane w układach wysokich częstotliwości. Mają małą
rezystancję w kierunku przewodzenia i małą pojemność przy polaryzacji w
kierunku zaporowym. Wykazują pewną bezwładność przy przełączaniu.
Diody PIN lub p-i-n jako fotodiody z dodatkową wewnętrzną warstwą
(intrinsic layer, P-Intrinsic-N) między obszarami P i N obok zwiększonej
szybkości działania mają zwiększoną fotoczułą objętość a przez to większą
wydajność.
Dioda A
adunkowa jest typem diody, która podobnie jak diody PIN ma trzy
warstwy ale zmiana rezystancji odbywa się gwałtownie. Stosowana jest w
powielaczach częstotliwości.
Diody ograniczajÄ…ce prÄ…d lub diody regulujÄ…ce prÄ…d, sÄ… to dwu-
zaciskowe wersje tranzystorów polowych (typu JFET).
Diody IMPATT są diodami wielowarstwowymi dużej mocy przeznaczonymi
do generowania sygnałów względnie dużej mocy w zakresie 3 do 100 gHz.
Diody tunelowe (diody ESAKI ego). Są to diody o bardzo dużym
domieszkowaniu obu stron P i N. WykorzystujÄ… kwantowy efekt tunelowania
rezonansowego, co w pewnym zakresie napięć (w kierunku przewodzenia)
prowadzi do ujemnej oporności dynamicznej.
Diody Gunn a. Składają się z trzech warstw półprzewodnika tylko jednego
typu N o różnym stopniu domieszkowania. Warstwa środkowa o słabym
domieszkowaniu znajduje się między dwoma silnie domieszkowanymi
warstwami. W diodach Gunn a również uzyskujemy obszar napięcia o ujemnej
rezystancji dynamicznej gdzie ze wzrostem napięcia maleje prąd.
Diody Shockley a. SÄ… to diody czterowarstwowe PNPN zwane
dynistorami. Przewodzą po przekroczeniu pewnego znacznego napięcia
otwarcia, a przestają przewodzić dopiero po znacznym jego obniżeniu, niemal
do zera.
Fotoogniwa są rodzajem diod o dużej powierzchni i wykorzystują zjawisko
fotoelektryczne w obszarze złącza PN. Stosowane są do budowy baterii
słonecznych.
Diody świecące LED
Spolaryzowane w kierunku
przewodzenia generują światło,
jako wynik rekombinacji
elektronów i dziur w złączu pn. Barwa zależy
od materiału (podczerwień - GaAs, światło
widzialne  GaP). SÄ… to np. wskaz
niki,
wyświetlacze, nadajniki w transoptorach.
A.A. Bergh, phys. stat. Sol.(a) 201 (2004) 2740.
Fotodioda. Przy braku polaryzacji może stanowić baterię słoneczną. W
zaporowo spolaryzowanych fotodiodach natężenie prądu zaporowego zmienia
się wraz ze zmianami oświetlenia złącza (bo zmienia się oporność złącza).
Fotodiody są stosowane do detekcji światła (bywają szybsze od
fotopowielaczy).
Dioda Laserowa (LD). Diody z akcjÄ… laserowÄ… zapewniajÄ… widmo o wÄ…skim
przedziale długości fali. Osiągane są wydajności 50% i moce około 102 W (fali
ciągłej). Częstotliwość modulacji sygnału poprzez modulację prądu sięga
wartości do kilku GHz. Olbrzymie zastosowanie (telekomunikacja-układy
światłowodowe, medycyna, CD-ROM, DVD, HD, TV, drukarki itp.) A.A. Bergh, phys. stat. Sol.
(a) 201 (2004) 2740.
Układy do odczytu dysków CD CD-ROM i DVD zapewniają dużą odporność na
uszkodzenia powierzchni dysków.  Czytająca wiązka światła jest ogniskowana
około1mm pod powierzchnią dysku do plamki o średnicy porównywalnej z
długością fali używanego światła. Na samej powierzchni wiązka jest jeszcze
szeroka i obejmuje okrąg o średnicy około 0,8mm. Popularne prędkości
napędów CD: od 1x0,15 MB/s do 52x0,15MB/s = 7,62MB/s, oraz DVD: od
1x1,32MB/s do 52x1,32MB/s = 68,55MB/s.
(www.cdrinfo.pl/cdr/artykuly/plyty/docs/plyty.php3).
Informacja na CD jest magazynowana na spiralnej ścieżce idącej od środka
(na średnicy około 50 mm z 4 mm rozbiegiem) dysku do jego brzegu.
OdlegÅ‚ość miÄ™dzy Å›cieżkami wynosi 1,6 µm. WgÅ‚Ä™bienie na Å›cieżce (o
wymiarach 0,5 µm szerokoÅ›ci i okoÅ‚o 100 nm gÅ‚Ä™bokoÅ›ci) oznaczajÄ… cyfrowe
 1 a brak wgłębienia  0 . Powierzchnia niosąca informację jest pokryta
aluminium dla uzyskania dobrego odbicia promienia światła a ta warstwą
ochronną i etykietą. Wiązka odbitego światła jest rozszerzana na strukturze
wgłębienie/wzniesienie i to poszerzanie wiązki jest  czytane przez układ
optyczny.
Rysunek przedstawia przykładowy (są też inne) układ do odczytu dysków CD.
Światło z lasera półprzewodnikowego biegnie przez siatkę S, polaryzator,
ćwierćfalówkę, odbija się od warstwy kodu w dysku i ponownie biegnie przez
ćwiećfalówkę. Dwukrotne przejście przez ćwierćfalówkę zmienia polaryzację
Å›wiatÅ‚a o 90º, dziÄ™ki czemu zostaje ono skierowane do detektora w pÅ‚ytce
polaryzująco-rozdzielającej. Detektor rejestruje jeden z dwóch poziomów 0, 1.
Siatka S służy do uzyskania dwóch dodatkowych, bocznych wiązek. Dzięki nim
detektor i układ ujemnego sprzężenia zwrotnego zapewniają utrzymanie się
wiązki centralnej na czytanej ścieżce (tj. mamy ciągłą korektę położenia punktu
padania wiązki). Centralna część
detektora podzielona na cztery
sektory oraz lekko astygmatyczna
soczewka skupiajÄ…ca
pozwalają innemu układowi
ujemnego sprzężenia zwrotnego
korygować ogniskowanie wiązki
światła na właściwej głębokości.
Należy pamiętać, że złącza spolaryzowane w kierunku przewodzenia wykazują
małą  oporność i zazwyczaj musimy dbać o ograniczenie prądu aby uniknąć
zniszczenia elementu zawierającego złącze. Diody np. typu LED polaryzujemy
poprzez szeregowo włączony rezystor ograniczający prąd i ratujący diodę
przed zniszczeniem! Przy rozwiązywaniu układów zawierających element
nieliniowy wygodna i często stosowana jest metoda graficzna. Poniższy rys.
ilustruje tę metodę. Napięcie na diodzie w tym układzie przy prądzie I, wynosi:
UD=E-IR. To równanie opisuje tzw. prostą obciążenia na płaszczyz
nie UD ID.
Punkt przecięcia tej prostej z charakterystyką elementu nieliniowego, diody,
jest tzw. punktem pracy i pozwala wyznaczyć prąd i napięcie elementu
nieliniowego.
Punkt pracy
diody:
Każdy punkt na prostej
to para wartości: I - natężenie
prądu przez R, U - wartość
napięcia pozostawianego dla
diody, o którą należy
pomniejszyć E aby
E-U=IR
Powielacz napięcia
Układy z diodami prostowniczymi
Układy clamp. W układach clamp kondensator C efektywnie ładuje się poprzez
diodę i nieefektywnie przeładowuje przez impedancję Ro przy: RoC >>T.
Zależnie od podłączenia diody Uout E" Uin ą amplituda Uin.
Układy z diodami prostowniczymi
Zasilacz napięcia stałego Prostownik
Zasilanie w postaci zasilacza sieciowego lub baterii (akumulatora) jest
podzespołem, który znajduje się w niemal każdym urządzeniu
elektrycznym i elektronicznym  ożywia go.
Zasilacze napięcia stałego Komercyjnie dostępne i stosowane w
laboratoriach zasilacze mogą być dwojakiego rodzaju. 1) Mogą zawierać
masywny transformator sieciowy, zwykle obniżający lub czasem
podwyższający napięcie, które następnie jest prostowane i filtrowane. 2) Mogą
nie zawierać transformatora sieciowego a prostownik prostuje napięcie
sieciowe dla uzyskania napięcia stałego, które następnie jest szatkowane z
dużą częstotliwością albo zasila generator (10 kHz  1 MHz) w tzw.
przetwornicy. Napięcie o tak wysokiej częstotliwości może być zmieniane przez
małe transformatory a następnie prostowane i bardziej skutecznie filtrowane.
Ważnym parametrem zasilaczy, poza zakresami wartości prądu i napięcia, jest
wielkość fluktuacji stabilizowanej wielkości. Wielkość fluktuacji (ripple) jest
określana w procentach liczonych od wartości stabilizowanej.
Zasilacze są wyposażone w dwie regulacje: a) regulację napięcia i b) regulację
natężenia prądu. Przy jakimkolwiek ustawieniu tych regulacji realizowana i
stabilizowana jest ta, która osiągana jest dla niższej mocy (czyli osiągana jest
wcześniej przy  wzroście obu od zera). Zatem od użytkownika zależ co
(napięcie czy prąd) ma być stabilizowane. Jeżeli wybieramy stabilizację
określonego prądu to regulator napięcia zwykle ustawiamy na wartość
maksymalną. Jeżeli stabilizowane ma być wybrane napięcie to regulację prądu
ustawiamy na wartość maksymalną. Takie postępowanie zapewnia, że nawet
przy znacznych zmianach obciążenia będzie stabilizowana jedna i ta sama
wielkość. Unikamy niepożądanego przełączania rodzaju stabilizacji.
Stabilizatory napięcia.
Produkowane sÄ… liczna wersje
stabilizatorów (z 3 lub 4
końcówkami na pojedyncze
napięcie oraz złożone, na
napięcia bipolarne). Rys. a)
przedstawia trójzaciskowy
układ LM317. Układ ten
daje natężenia prądu
wyjściowego 0-1,5A, działając
tak aby między zaciskami  Wy
i  Reg utrzymywało się
napięcie 1.25V (spadek napięcia na Rm). Zwykle na Rm dobieramy małą
oporność około 200&! natomiast R dobieramy tak aby uzyskać stabilizowane
napięcie Uwy = (1+ R/Rm)" 1,25V. Prąd wpływający do zacisku  Reg jest
mały i do pominięcia! Rys. b) pokazuje najprostszy sposób powiększenia
zakresu prądów wyjściowych przez zastosowanie zewnętrznego tranzystora
dużej mocy. Gdy spadek napięcia na RBE przekroczy 0,6V tranzystor ten się
otwiera i przepuszcza dodatkowy prąd do wyjścia.
Elektronika lista zadań 05
1. Narysuj przebiegi napięć wyjściowych
dla podanych układów z diodami
Krzemowymi (otwierajÄ…cymi siÄ™ przy
napięciu +0,7V) gdy na wejścia układów
podawane są napięcia sinusoidalne o
amplitudzie 5V i małej częstotliwości.
2. Zaproponuj wartości R1, C1, R2 i C2
tak aby poniższy układ był filtrem pasmowym
na zakres częstotliwości 1kHz  10kHz.
3 Dobierz kondensator C tak aby pulsacja napiÄ™cia na odbiorniku R=1k ©
wynosiła nie więcej niż 5%.