Elektronické prvky

Přednášející:

Pavel Hazdra (gar.), Jan Voves

Cvičící:

Pavel Hazdra (gar.), Vladimír Janíček, Michal Janoušek, Lubor Jirásek, Josef Náhlík, Ján Scheirich, Tomáš Teplý, Tomáš Vítek, Jan Voves, Vít Záhlava

Předmět zajišťuje:

katedra mikroelektroniky

Anotace:

Předmět podává studentům základní poznatky o principech činnosti a vlastnostech aktivních i pasivních elektronických prvků. Fyzikálních princip činnosti a praktická realizace součástek je doplněna výkladem adekvátních modelů pro malý i velký signál a analýzou základních elektronických zapojení užívaných v analogové i číslicové technice. V laboratořích se studenti seznámí s principy simulace činnosti polovodičových struktur a jejich návrhu, měřením charakteristik a extrakcí jejich elektrických parametrů, které budou následně využijí při analýze základních zapojení využívající simulátoru PSPICE.

Požadavky:

https://moodle.kme.fel.cvut.cz/moodle/login/index.php?lang=cs

Absolvování všech cvičení, zpracování jejich výsledků v pracovním deníku, absolvování průběžných testů, úspěšné vypracování zápočtového testu.

Osnova přednášek:

1. Historický přehled, Elektronické prvky jejich modely a parametry. Pevné látky a jejich krystalová struktura.

2. Volný elektron a elektron v pevné látce (Bohrův a kvantový model atomu, volný elektron, elektron v poli periodického potenciálu, pásová struktura pevných látek, statistika elektronů).

3. Polovodiče (elektrony, díry, nábojová neutralita, vlastní a nevlastní polovodič, akceptory a donory). Transport náboje v polovodičích: Ohmův zákon v diferenciálním tvary, driftový a difúzní proud, pohyblivost, rovnice kontinuity, rekombinace a generace nositelů náboje, difúzní délka. Poissonova rovnice pro polovodič.

4. Přechod PN, termodynamická rovnováha, propustná a závěrná polarizace, bariérová a difúzní kapacita, mechanismy průraz, vliv teploty. Přechod kov-polovodič.

5. Polovodičové diody (struktury, charakteristiky, modely a aplikace).

6. Struktura MIS: ochuzení, akumulace, slabá a silná inverze inverze, faktory ovlivňující prahové napětí, potenciálová jáma. Tranzistor MOSFET: struktura, princip činnosti.

7. Tranzistor MOSFET: ideální a reálná charakteristika, teplotní závislost, typy průrazu. Typy tranzistorů MOSFET, modely pro velký a malý signál, stejnosměrná analýza obvodu s tranzistorem MOSFET.

8.Tranzistor MOSFET: nastavení pracovního bodu, základní zapojení a aplikace, vysokofrekvenční a spínací vlastnosti. Aplikace v logických obvodech NMOS a CMOS. Realizace tranzistoru v integrované formě.

9. Bipolární tranzistor (BJT): struktura, princip činnosti, Ebers-Mollův model, charakteristiky, modely pro velký a malý signál.

10. Bipolární tranzistor: pracovní bod a jeho nastavení, náhradní lineární obvod a jeho parametry, vysokofrekvenční model BJT, základní obvodová zapojení a aplikace.

11. Výkonové spínací prvky: dioda PiN, tyristor, IGBT, výkonový MOSFET - principy činnosti, struktury, charakteristiky, parametry, modely a typické aplikace.

12. Tranzistory JFET, MESFET, HEMT. Polovodičové paměťové prvky: principy, typy a aplikace.

13. Optoelektronické prvky: Planckův vyzařovací zákon, interakce světla s polovodičem, zdroje a detektory záření (LED, injekční laser, fotoodpor, dioda PiN, sluneční články).

14. Pasivní elektronické prvky (rezistory, kapacitory a induktory). Vývojové trendy.

Osnova cvičení:

1. Organizační záležitosti. Elektronické prvky v obvodovém zapojení. Simulátor PSpice.

2. Seznámení s měřícími přístroji. Měření jednoduchých obvodů s elektronickým prvky a analýza dosažených výsledků pomocí simulátoru PSpice.

3. Základní vlastnosti pevných látek (krystalová a pásová struktura), aplikace kvantové mechaniky.

4. Vlastnosti polovodičů (koncentrace elektronů a děr, transport náboje) a přechodu PN (difúzní a průrazné napětí, průběh potenciálu a intenzity elektrického pole, bariérová kapacita).

5.Polovodičová dioda: VA charakteristika, mezní parametry, pracovní bod a náhradní modely. Měření a simulace propustných charakteristik diod s PN a Schottkyho přechodem.

6. Modely diod v PSpice a odečet jejich parametrů. Teplotní závislost parametrů diody. Dynamické charakteristiky diody. Aplikace diody v usměrňovači - měření a simulace.

7. Tranzistor MOSFET: V-A charakteristiky, modely tranzistoru a jeho parametry, stanovení polohy stejnosměrného pracovního bodu, měření a analýza převodní charakteristiky invertoru s tranzistorem MOSFET

8. Aplikace tranzistoru MOSFET: nastavení a stabilizace polohy pracovního bodu, odečet parametrů náhradního lineárního obvodu, aplikace v analogových obvodech - analýza, měření a simulace.

9. Aplikace tranzistoru MOSFET v číslicové technice (invertor CMOS), návrh a simulace v PSpice, vytvoření vlastního simulačního profilu.

10. Bipolární tranzistor: V-A charakteristiky, modely a jejich parametry, stanovení polohy stejnosměrného pracovního bodu, měření a analýza převodní charakteristiky invertoru s bipolárním tranzistorem.

11. Bipolární tranzistor: nastavení a stabilizace polohy pracovního bodu, odečet parametrů náhradního lineárního obvodu, aplikace v analogových obvodech - analýza, měření a simulace.

12. Měření základních zapojení výkonových spínacích prvků (výkonový MOSFET) a jejich analýza ve PSpice. Zápočtový test.

13. Měření a analýza typických zapojení s optoelelektronickými prvky.

14. Doměřování úloh. Zápočet.

Cíle studia:

Studijní materiály:

[1] J. Vobecký, V. Záhlava: Elektronika: součástky a obvody, principy a příklady, 3. rozšířené vydání, Grada 2005

[2] F. Vaníček: Elektronické součástky. Principy, vlastnosti, modely. ČVUT, Praha 1999

[3] S.M. Sze, K.Ng.Kwok: Physics of Semiconductor Devices, Wiley-Interscience, New York 2006

http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/homepage/?isbn=9780470068328

[4] P. Horowitz, W. Hill, : The Art of Electronics, Cambridge University Press, New York 2001

Poznámka:

Rozsah výuky v kombinované formě studia: 13p+6l

Rozvrh na zimní semestr 2011/2012:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2011/2012:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po	místnost T2:B2-s141j Záhlava V. Vítek T. 09:15–10:45 (přednášková par. 1 paralelka 101) Dejvice Cvičebna K334místnost T2:B2-s141j Záhlava V. Vítek T. 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 107) Dejvice Cvičebna K334
Út	místnost T2:B2-s141j Hazdra P. Teplý T. 09:15–10:45 (přednášková par. 1 paralelka 102) Dejvice Cvičebna K334místnost T2:B2-s141j Hazdra P. Teplý T. 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 103) Dejvice Cvičebna K334místnost T2:B2-s141j Jirásek L. Teplý T. 12:45–14:15 (přednášková par. 1 paralelka 104) Dejvice Cvičebna K334místnost T2:B2-s141j Jirásek L. Vítek T. 14:30–16:00 (přednášková par. 1 paralelka 105) Dejvice Cvičebna K334místnost T2:B2-s141j Jirásek L. 16:15–17:45 (přednášková par. 1 paralelka 106) Dejvice Cvičebna K334
St	místnost T2:B2-s141j Janíček V. Náhlík J. 09:15–10:45 (přednášková par. 1 paralelka 108) Dejvice Cvičebna K334místnost T2:B2-s141j Janíček V. Náhlík J. 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 109) Dejvice Cvičebna K334místnost T2:D3-209 Hazdra P. 14:30–16:00 (přednášková par. 1) Dejvice Posluchárna
Čt	místnost T2:B2-s141j 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 112) Dejvice Cvičebna K334místnost T2:B2-s141j Jirásek L. 12:45–14:15 (přednášková par. 1 paralelka 111) Dejvice Cvičebna K334místnost T2:B2-s141j 14:30–16:00 (přednášková par. 1 paralelka 114) Dejvice Cvičebna K334
Pá

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Komunikace, multimedia a elektronika - Komunikační technika (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimedia a elektronika - Multimediální technika (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimedia a elektronika - Aplikovaná elektronika (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimedia a elektronika - Síťové a informační technologie (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimedia a elektronika - před rozřazením do oborů (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimédia a elektronika - Komunikace a elektronika (povinný předmět programu)