Detail předmětu

Elektronické součástky

FEKT-BKC-ESOAk. rok: 2018/2019

Základy fyziky polovodičů. Přechod PN. Polovodičová dioda. Bipolární tranzistor. Unipolární tranzistory. Spínací prvky tyristor, triak, diak, tranzistor IGBT. Optoelektronické prvky. Pasivní součástky.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

4

Garant předmětu

prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav mikroelektroniky (UMEL)

Výsledky učení předmětu

Na základě ověření znalosti studenta ve cvičeních odborného základu, v laboratorní výuce a při písemné zkoušce je student po absolvování předmětu schopen :

Podrobně popsat mechanismy, které působí na přechodu PN v rovnovážném stavu a při polarizaci přechodu PN v propustném směru a v závěrném směru.
Definovat bariérovou a difúzní kapacitu přechodu PN.
Vysvětlit rovnici AV charakteristiky diody a diskutovat AV charakteristiku diody včetně vlivu technologických a materiálových parametrů.
Vysvětlit činnost přechodu PN v zapojení usměrňovače, stabilizátoru napětí, kapacitní diody, fotodiody, luminiscenční diody a řízeného diferenciálního odporu.
Popsat a vysvětlit mechanismy průrazu přechodu PN. Tunelový průraz, lavinový průraz, tepelný průraz a povrchový průraz.
Popsat strukturu bipolárního tranzistoru a vysvětlit její činnost.
Navrhnout a analyzovat zesilovač ve třídě A a spínač s bipolárním tranzistorem.
Vysvětlit princip a použití lineárních a nelineárních modelů bipolárního tranzistoru.
Aplikovat zjednodušené lineární a nelineární modely tranzistoru při návrhu a analýze zesilovače ve třídě A a spínače s bipolárním tranzistorem.
Popsat struktury unipolárních tranzistorů JFET a IGFET a vysvětlit jejich činnost.
Navrhnout a analyzovat zesilovač ve třídě A a spínač s unipolárními tranzistory JFET a IGFET.
Popsat strukturu tyristoru a na náhradním schématu vysvětlit její činnost.
Popsat strukturu triaku a vysvětlit její činnost .
Vysvětlit mechanismus sepnutí triaku kladným a záporným proudem hradla.
Definovat princip fázového řízení spínacích prvků.
Nakreslit a vysvětlit příklady typického zapojení obvodů s tyristorem a s triakem.
Popsat mechanismy interakce záření s pevnou látkou.
Definovat rozdíl mezi fotometrickými a radiometrickými veličinami.
Vysvětlit mechanismy fotoluminiscence a elektroluminiscence.
Popsat uspořádání laserů a zdůvodnit výhody jejich použití.
Zdůvodnit konstrukční uspořádání laserové diody a definovat podmínky pro její činnost.
Vysvětlit rozdíly mezi fototranzistorem a fotodiodou a popsat jejich použití.
Definovat parazitní vlastnosti rezistorů a vysvětlit vliv použitých materiálů a konstrukce rezistorů na vznik nebo potlačení jejich parazitních vlastností.
Definovat parazitní vlastnosti kapacitorů a vysvětlit vliv použitých materiálů a konstrukčního uspořádání kapacitorů na vznik nebo potlačení jejich parazitních vlastností.
Definovat parazitní vlastnosti induktorů a vysvětlit vliv použitých materiálů a konstrukčního uspořádání induktorů na vznik nebo potlačení jejich parazitních vlastností.

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni středoškolského studia.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují vzájemně provázané přednášky, numerická cvičení a laboratoře v navazujícím předmětu BESOP. Předmět využívá e-learning (Moodle).

Způsob a kritéria hodnocení

Numerická cvčení, TEST 1 - 15 bodů; minimum 8 bodů.
Numerická cvčení, TEST 2 - 15 bodů; bodový limit není stanoven
Závěrečná zkouška - 70 bodů; minimum 35 bodů.

Osnovy výuky

1. Základní pojmy fyziky polovodičů. Pásová struktura. Polovodiče vlastní a nevlastní. Koncentrace nosičů náboje v polovodičích. Elektrická vodivost polovodičů. Difúze nosičů elektrického náboje. Generace a rekombinace nosičů v polovodičích.
2. Přechod PN. Přechod PN v rovnovážném stavu, vyprázdněná oblast, difúzní napětí. Bariérová a difúzní kapacita přechodu. Pásové diagramy přechodu PN. Ampérvoltová charakteristika přechodu PN. Průrazy přechodu PN. Jiné typy přechodů, přechod kov-polovodič.
3. Polovodičová dioda. Ampérvoltová charakteristika diody. Dioda jako usměrňovač, zdroj referenčního napětí, spínač a proudem řízený diferenciální odpor.
4. Polovodičová dioda. Varikap, varaktor. Schottkyho dioda. Tunelová dioda. Fotodioda, Struktura PIN. Fotodioda PIN. Usměrňovací 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. FET jako paměťová buňka. MESFET, struktura, princip činnosti. Výkonové tranzistory FET, struktury LDMOS, VDMOS, a VVMOS. Paralelní integrace tranzistorů FET. Tranzistor IGBT, struktura, náhradní obvod, princip činnosti.
11. Spínací prvky. Tyristor, základní struktura, náhradní schéma, princip činnosti. Tyristor v závěrném, blokovacím a propustném stavu. Spínací charakteristika. Ampérvoltové charakteristiky. Speciální druhy tyristorů, jejich použití. Triak, struktura, princip činnosti. Diak, struktura, použití. Princip fázového řízení spínacích prvků.
12. Optoelektronické součástky. Mechanismy vzniku záření. Interakce záření s pevnou látkou, fotometrické a radiometrické veličiny. Lasery. Laserová dioda. Fotodioda , fototranzistor. Optron.
13. Pasivní součástky. Rezistory kapacitory, induktory. Závislost vlastností na materiálech a konstrukčním uspořádání.

Učební cíle

Seznámit posluchače s vlastnostmi elektronických součástek a jejich použitím.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Laboratorní cvičení. Numerická cvičení.

Základní literatura

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 (EN)
MUSIL V., BRZOBOHATÝ J., BOUŠEK J, PRCHALOVÁ I.: " Elektronické součástky", PC dir, BRNO, 1999 (CS)
Singh J. : Semiconductor Devices ,McGraw-Hill (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BKC-MET bakalářský 1 ročník, letní semestr, povinný

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Osnova

Základní pojmy fyziky polovodičů. Pásová struktura. Polovodiče vlastní a nevlastní, elektrony a díry. Koncentrace elektronů v polovodičích. Elektrická vodivost polovodičů. Difúze nosičů elektrického náboje. Generace a rekombinace nosičů v polovodičích.
Přechod PN. Přechod PN v rovnovážném stavu, vyprázdněná oblast, difúzní napětí. Bariérová a difúzní kapacita voltampérová přechodu. Pásové diagramy, přechod PN v propustném a závěrném směru. Ampérvoltová charakteristika přechodu PN. Průrazy přechodu PN. Jiné typy přechodů, přechod kov-polovodič.
Polovodičová dioda. Ampérvoltová charakteristika diody. Dioda v propustném a závěrném směru. Dioda jako usměrňovač, zdroj referenčního napětí, spínač a řízený odpor.
Polovodičová dioda. Varikap, varaktor, tunelová dioda. Schottkyho dioda. Tunelová dioda. Fotodioda, Struktura PIN. Fotodioda PIN. Výkonová dioda PIN.
Polovodičová dioda. Technologie výroby diod. Typická zapojení obvodů s diodami. Přehled parametrů vybraných typů diod.
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.
Bipolární tranzistor. Linearizované modely, h-parametry, y-parametry. První a druhý průraz tranzistorové struktury. Charakteristické závislosti parametrů tranzistorů na pracovních podmínkách.
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.
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.
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.
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.
Optoelektronické prvky. Základní fotometrické veličiny. Fotoodpor, fotovodivost. fototranzistor. Luminiscenční dioda. Laserová dioda.
Vakuové prvky. Emise elektronů ve vakuu. Typy elektronek. Vysokofrekvenční a mikrovlnné elektronky - klystron, magnetron. Obrazovky.

Cvičení odborného základu

6 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Osnova

Dioda. Linearizace ampérvoltové charakteristiky diody, odpovídající náhradní obvod. Obvody s diodami v sériovém a paralelním zapojení.
Diferenciální odpor diody v propustném směru, dioda jako řízený odpor a spínač. Dioda jako usměrňovač.
Stabilizační dioda. Ampérvoltová charakteristika a důležité parametry. Princip stabilizace. Návrh stabilizátoru.
Bipolární tranzistor. Nastavení pracovního bodu, grafické a numerické řešení. Unipolární tranzistor nastavení pracovního bodu, grafické a numerické řešení.
Bipolární tranzistor. Zesilovač, vstupní a výstupní odpor, napěťové zesílení.
Unipolární tranzistor. Zesilovač, vstupní a výstupní odpor, napěťové zesílení.
Výkonové spínače. Příklady použití tranzistorů a tyristorů, typické řídící obvody.