Course detail

Electronic Devices

FEKT-BPC-ESOTAcad. year: 2024/2025

Semiconductors physics. PN-junction. Semiconductor Diode. Bipolar junction transistors. Field effect transistors. Power electronic devices - thyristor, TRIAC, DIAC, IGBT transistor. Optoelectronic devices. Passive components.

Language of instruction

Czech

Number of ECTS credits

5

Mode of study

Not applicable.

Guarantor

prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Department

Department of Microelectronics (UMEL)

Entry knowledge

The subject knowledge on the secondary school level is required.

Rules for evaluation and completion of the course

Numerical exercises, TEST 1 - 10 points; minimum 6 points.
Numerical exercises, TEST 2 - 10 points; point limit not set.
Laboratory exercises: 30 points; minimum 20 points
Final exam - 50 points; minimum 25 points.


Laboratory practicum. Numerical practicum.

Aims

Based on the verification of the student's knowledge and skills in seminars, laboratory work and in the written exam, after completing the course the student is able to:

Describe in detail the mechanisms that affect the PN junction at steady state and in forward and reverse polarization.
Define the barrier and diffusion capacitance of the PN junction.
Explain the operation of PN junction in following circuits: Rectifier, voltage stabilizer, capacitance diode, photo-diode, light emitting diode (LED) and current controlled differential resistance.
Define and explain breakdown mechanisms of PN junction: Tunnel-breakdown, avalanche-breakdown, thermal- breakdown and surface- breakdown.
Describe the structure of the bipolar transistor and explain its operation.
Design and analyze class-A-amplifier and switch with bipolar transistor.
Describe the structure of unipolar transistors JFET and IGFET and explain their operation.
Design and analyze class-A-amplifier and switch with unipolar transistors JFET and IGFET.
Describe the structure of a thyristor and its equivalent circuit and explain its operation.
Describe the structure of the triac and explain its operation.
Define the principle of phase-angel control of power switching devices.
Design and explain typical wiring-diagrams of thyristor and triac.
Define and explain mechanisms of electron emission in vacuum.
Explain the operation of the most important vacuum-tubes (triode, tetrode, pentode, planar triode, magnetron and klystron).
Define parasitic properties of commonly used resistors and explain the impact of used materials and design to formation or suppression of these parasitic properties.
Define parasitic properties of commonly used capacitors and explain the impact of used materials and design to formation or suppression of these parasitic properties.
Define parasitic properties of commonly used inductors and explain the impact of used materials and design to formation or suppression of these parasitic properties.

Study aids

Not applicable.

Prerequisites and corequisites

Not applicable.

Basic literature

Boušek J., Kosina P.: Elektronické součástky BESO, laboratorní cvičení, FEKT VUT V BRNĚ, elektronické skriptum
Boušek J., Kosina P., Mojrova B.: Elektronické součástky, FEKT VUT V BRNĚ, elektronické skriptum
Boušek J., Kosina P., Mojrova B.: Elektronické součástky sbírka příkladů, FEKT VUT V BRNĚ, elektronické skriptum
Boylestad R., Nashelsky L. :Electronic devices and Circuit Theory ,Prentice Hall
MUSIL V., BRZOBOHATÝ J., BOUŠEK J, PRCHALOVÁ I.: " Elektronické součástky", PC dir, BRNO, 1999
Singh J. : Semiconductor Devices ,McGraw-Hill

Recommended reading

Not applicable.

Classification of course in study plans

  • Programme BPC-AUD Bachelor's

    specialization AUDB-TECH , 1 year of study, summer semester, compulsory

  • Programme BPC-ECT Bachelor's 1 year of study, summer semester, compulsory
  • Programme BPC-TLI Bachelor's 1 year of study, summer semester, compulsory

Type of course unit

 

Lecture

13 hod., optionally

Teacher / Lecturer

prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Syllabus

1) Přechod PN. Přechod PN v rovnovážném stavu, vyprázdněná oblast, difúzní napětí. Bariérová a difúzní kapacita. 2) Ampérvoltová charakteristika přechodu PN. Průrazy přechodu PN. Jiné typy přechodů, přechod kov-polovodič. 3) Polovodičová dioda. Dioda v propustném a závěrném směru. Dioda jako usměrňovač, zdroj referenčního napětí, spínač a řízený odpor. 4) Polovodičová dioda. Varikap, varaktor, tunelová dioda. Schottkyho dioda. Tunelová dioda. Fotodioda, Struktura PIN. Fotodioda PIN. Výkonová dioda PIN. 5) Polovodičová dioda. Technologie výroby diod. Typická zapojení obvodů s diodami. Přehled parametrů vybraných typů diod. 6) Bipolární tranzistor. Struktura tranzistoru, princip činnosti. Ampérvoltové charakteristiky tranzistoru v zapojení se společným emitorem (SE). Normální a inverzní aktivní režim, saturační a závěrný režim tranzistoru. 7) Bipolární tranzistor. Linearizované modely, h-parametry, y-parametry. První a druhý průraz tranzistorové struktury. Charakteristické závislosti parametrů tranzistorů na pracovních podmínkách. 8) Bipolární tranzistor. Základní obvody s tranzistory. Nastavení pracovního bodu. Princip tranzistorového zesilovače, zapojení SE, SB, SC, proudové a napěťové zesílení , vstupní a výstupní odpor. Tranzistor jako spínač. 9) Unipolární tranzistory. JFET. MOSFET. Princip činnosti, základní typy a jejich struktury. Lineární (aktivní) režim a saturační režim. Ampérvoltové charakteristiky. Tranzistor jako proudový zdroj, zesilovač, spínač a řízený odpor. 10) Unipolární tranzistory. Linearizované modely. Struktury CCD. Polovodičové paměti využívající jevů na strukturách FET. MESFET, struktura, princip činnosti. Výkonové tranzistory FET, struktury DMOS, VDMOS, a VMOS. Paralelní integrace tranzistorů, struktura HEXFET. Tranzistor IGBT, struktura, princip činnosti, náhradní obvod. 11) Spínací prvky. Tyristor, základní struktura, funkce, náhradní schéma. Tyristor v závěrném, blokovacím a propustném stavu, ampérvoltové charakteristiky. Speciální druhy tyristorů, jejich použití. Triak, princip činnosti. Dvoubázová dioda. Diak. Použití spínacích prvků v regulačních obvodech. 12). Optoelektronické prvky. Základní fotometrické veličiny. Fotoodpor, fotovodivost. fototranzistor. Luminiscenční dioda. Laserová dioda. 13). Vakuové prvky. Emise elektronů ve vakuu. Typy elektronek. Vysokofrekvenční a mikrovlnné elektronky - klystron, magnetron.

Fundamentals seminar

13 hod., compulsory

Teacher / Lecturer

prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Syllabus

Dioda. Linearizace ampér-voltové charakteristiky diody, odpovídající náhradní obvod. Obvody s diodami v sériovém a paralelním zapojení. Diferenciální odpor diody v propustném směru. Dioda jako řízený odpor a jako spínač. Dioda jako usměrňovač. Stabilizační dioda. Ampér-voltová charakteristika a důležité parametry. Princip stabilizace. Návrh stabilizátoru. Bipolární tranzistor. Nastavení pracovního bodu, grafické a numerické řešení. Napěťový zesilovač ve třídě A. Zapojení SE, SC a SB. Napěťové zesílení, vstupní odpor, výstupní odpor. Unipolární tranzistor JFET. Nastavení pracovního bodu, grafické a numerické řešení. Napěťový zesilovač ve třídě A. Napěťové zesílení, vstupní odpor, výstupní odpor. Unipolární tranzistor IGFET. Nastavení pracovního bodu, grafické a numerické řešení. Napěťový zesilovač ve třídě A. Napěťové zesílení, vstupní odpor, výstupní odpor. Výkonové spínače. Spínač s tranzistorem VDMOS.

Laboratory exercise

26 hod., compulsory

Teacher / Lecturer

prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Syllabus

1) Zásady pro vzájemné propojování elektronických obvodů. Metody měření v elektronických obvodech. Derivační článek a integrační článek, určení časové konstanty. 2) Diodový usměrňovač.Porovnání dynamických vlastností diod s různou technologií. AV charakteristiky polovodičových diod. 3) Diferenciální odpor polovodičového přechodu. Řízený napěťový dělič. Určení koeficientu m. Diodový spínač. 4) Přechod PN v závěrném směru. Diodový stabilizátor napětí. Fotodioda. Bipolární transistor (BT). 5) Výstupní charakteristika BT v zapojení SE. BT jako napěťový zesilovač v zapojení SE. 6) Zapojení pro nastavení pracovního bodu BT. Vstupní a výstupní odpor BT v zapojeních SE,SC a SB 7) BT jako spínač. Optron. 8) Tranzistor J-FET. Převodní charakteristika. Výstupní charakteristika. J-FET jako napěťový zesilovač. 9) Tranzistor VDMOS. Převodní charakteristika. Výstupní charakteristika. VDMOS jako napěťový zesilovač. 10) Spínač s tranzistorem VDMOS. Zapojení s induktuvní zátěží. 11)Tyristor. Vstupní charakteristika. Spínací charakteristika. 12) Doměřování a náhradní cvičení. 13 Zápočet