Microsoft PowerPoint - 03_I_kroz_vakuum_plinove_poluvodice_12-13b.ppt

Транскрипт

1 ELEKTRIČNA STRUJA KROZ VAKUUM Struja kroz vakuum ili plinove -> tok elektrona ili ioniziranih molekula Tok elektrona iz materije (zagrijavanje), naponom (el. poljem) uzrokujemo gibanje dioda djelovanje napona na elektrone (potencijalna energija) gibanje elektrona (kinetička energija) Q U = me v (kgm s 1 ) izvor elektrona (zagrijana katoda) Q=1, C m e =9, kg U=napon V brizna koju postižu elektroni v= 0, U 1/2 ~ 0, U 1/2

2 prostorna raspodjela potencijala (dioda) prostorna raspodjela potencijala (trioda) Pojačalo audiofili, VF pojačala viskoih snaga

3

4 ELEKTRIČNA STRUJA KROZ PLINOVE - tlak plina jedan od bitnih parametara za uvjete toka elektrona kroz plin tlak > atmosferskog (visokotlačne žarulje, komore za prekidanje luka) tlak = atmosferskom (atmosferska pražnjenja - električni luk, korona) tlak = 10-1 atmosferskog (neonske i fluorescentne svjetiljke) tlak = 10-5 atmosferskog (živini usmjerivači) tlak = 10-8 atmosferskog (vakuum, elektronske cijevi - zaostale molekule) - kemijska reakcija plina na elektrode inertni plinovi - tok elektrona brojni sudari električki nabijenih čestica i molekula plina - atom - apsorbira, prenosi, predaje energiju energiju uzima od drugog atoma ili predaje drugom atomu plina elektrode i stijenke uređaja (atomi) primaju i davaju energiju - atom (molek.) plina može imati i prenositi potencijalnu i kinetičku energiju svi elektroni na najnižim razinama normalno stanje energija unutar atoma potencijalna energija - uzbuđeno stanje dovođenje energije atomu - metastabilno stanje - ionizacija

5 elektroni u višu ljusku uzbuđeno stanje (n kvanta u J) minimalna energija uzbude živina para - 7, J helij - 31, J vezani elektron natrag foton (ispuštanje energije - zračenje) područja zračenja - rendgensko, ultravioletno, vidljivo, infracrveno, NF elemag. trajanje uzbuđenog stanja ~ 10-8 s frekvencija zračenja f qe = h (Hz) q E - količina energije h - Planckova konstanta 6, elektron vezan u višoj ljusci - sam ne oslobađa foton metastabilno stanje trajanje metastabilnog stanja ~ 10-1 s Js prenos energije na velike udaljenosti - bitno za provođenja struje plinovima predavanje energije drugom atomu plina, elektrodi ili stijenci (granica prostora)

6 elektron se oslobađa atoma ionizacija pozitivni ion - masa ~ masi atoma naboj = n naboja elektrona ali suprotnog predznaka slobodni elektron i pozitivni ion moguće neovisno kretanje elektično polje slobodni elektron i pozitivni ion - usmjerno i ubrzano kretanje masa u kretanju kinetička energija sudar pozitivnog iona i elektona atom normalnog stanja + energija (zagrijavanje) negativni ion - masa ~ masi atoma naboj = n naboja elektrona (inertni plinovi, živine pare) kisik veže na sebe elektrone i smanjuje vodljivost prostora vlastita energija negativnog iona << vlastita energija pozitivnog iona minimalna energija ionizacije živina para - 16, J helij - 139, J

7 plinom punjena cijev promjer molekule 10-8 elektrona molekule u kretanju velike prepreke elektronu sudari elektrona, iona i molekula kretanje elektrona veoma nepravilno zbog sudara s molekulama sudari i slobodne staze jedan od glavnih fizikalnih parametara provodljivosti plinova na fotone ne djeluje električno polje ali mogu uzrokovati višestruke ionizacije prenošenjem energije brzina kretanja molekula zanemariva obzirom na brzine elektrona između dva sudara slobodna staza pozitivni ioni se pri sudaru s nabijenom površinom nutraliziraju i pri tome oslobađaju energiju ionizacije, a djelomično i kinetičku energiju, što može uzrokovati zagrijavanje ili zračenje, a to može biti i korisno i razorno metastabilni atomi mogu predavati energiju pri sudaru s neutralnim atomima

8 Izbijanje u plinovima

9 Plinom punjene cijevi ispod napona U a gotovo da nema stuje (elektroni gotovo ne mogu kroz prostor ispunjen plinskim molekulama, minimalan utjecaj ioniziranih molekula plina) iznad nekog napona U a (napon paljenja) elektroni izazivanju lanačanu reakciju struju ograničava R povećanje struje uz neznatan pad napona raspodjela potencijala kao i pri tinjavom izbijanju međuelektrodni prostor diode se dijeli - katodno područje ili područje iona, u neposrednoj blizini katode, - ostalo područje plina, tzv. plazmu

10 Prostorna raspodjela potencijala plinske cijevi - pozitivni prostorni naboj u zraku pod atmosferskim tlakom (slobodni prostor) - linearno u vakuumu udaljenost na 4/3 (zbog negativnog prostornog naboja elektrona u području katode)

11 Plinska trioda umetnuta rešetka kad cijev provede rešetka više ne djeluje prednapon određuje Ua početka vođenja

12 Fluorescentne cijevi žarne niti prvo zagrijavaju prostor cijevi isparavanje žive živine pare žarne niti elektrode (izmjeničan napon > od napona paljenja) stvaranje plazme po cijeloj duljini ultravioletno zračenje uzbuđivanje premaza fluorescentni premaz vidljivo svijetli UV cijevi za solarij, bez flouresentnog premaza

13 vidljivi spektar frek. el.mag. zračenja Hz (crveno) do 7, Hz (ljubičasto) brzina el.mag. valova u slobodnom prostoru m/s elektroni samo određene razine energije u atomskoj strukturi W q = W p W k = h f (J) W q - energija dovedena elektronu (prije zračenja) u J W p - početna energija (prije zračenja) u J W k - konačna energija (nakon zračenja) u J h - Planckova konstanta f - frekvencija zračenja u Hz minimalna energija uzbuđivanja atoma žive - 7, J minimalna energija uzbuđivanja atoma natrija - 3, J 19 7, , ( = = 11, Hz 34 f ( Na ) = = 5, Hz 34 6, , f Hg ) natrijske svjetiljke bez premaza živine svjetiljke - boja svijetla ovisi o unutarnjem premazu (prah) 19

14 Rendgenske cijevi elektroni udaraju u antikatodu pod nekim kutem zbog apsorpcije njihove kinetičke energije elektromagnetsko zračenje okomito na površinu ne utječe na promjenu strukture i energije atoma frekvencija elektromagnetskog zračenja Hz između ultravioletnog svjetla i gama-zraka (dijelom se prekriva s oba područja)

15 ELEKTRIČNA STRUJA KROZ POLUVODIČE plouvodička tehnika silicij (Si) i germanij (Ge) 4-valentni elementi izolatori >> 10 8 Ωcm otpor Ωcm pri normalnoj temperaturi i tlaku kristalografska rešetka atoma (germanij 32 elektrona, silicij 14 elektrona) 4 valentna elektrona nisu čvrsto vezana poluvodiči Ωcm "električki" prikaz atoma (Ge, Si) - jezgra sa 4 pozitivna naboja - 4 kružeća slobodna elektrona vodiči << 10-1 Ωcm poluvodiči - niske temperature valentne veze stabilnije kristali izolatori povišene temperature valantne veze nestabilnije slobodni elektroni

16 čisti poluvodič intrinsična vodljivost obogaćeni poluvodič ekstrinsična vodljivost obogaćivanje (dopiranje) = onečišćavanje primjesama (tro i peterovalentim atomima) dopiranjem poluvodič ostaje električki neutralan bor (B) aluminij (Al) galij (Ga) indij (In) dopiranje trovalentnim elementom (akceptorima) višak šupljina = P tip poluvodiča u vođenju električne struje sudjeluju i šupline i elektroni ali različitim omjerom

17 fosfor (P) arsen (As) antimon (Sb) dopiranje peterovalentnim elementom (donorima) višak elektrona = N tip poluvodiča u vođenju električne struje sudjeluju i šupline i elektoni ali različitim omjerom jače dopiranje (veći broj akceptora ili donora) veća koncentracija nosioca naboja manja koncentracija nosioca suprotno polariziranog naboja (elektrona ili šupljina) mijenja se vodljivost poluvodiča

18 P-N spoj - poluvodička dioda

19 P-N barijera

20 Zener-dioda - stabilizacija napona dioda - ispravljački ventil Pad napona u propusnom smjeru 0,5 V do 0,7 V (silicijska dioda)

21 Tranzistori

22

23 Tranzistor kao sklopka Pojačalo

24

25 Tiristori Funkcija- brza upravljiva beskontaktna sklopka - uključivanje

26

27 Upravljivi poluvalni ispravljač

28 Triak Funkcija - brza upravljiva beskontaktna sklopka uključivanje moguć tijek struje u oba smjera

29

30 upravljiva izmjenična sklopka

31 1874 Fredinand Braun metal oksid / metal sulfid ispravljački efekt 1935 Bediks Švedska Ge detektor 1941 Davidenko, Morgulius, Davidov - teorija poluvodiča (Akademija SSSR) 1947 Pearson, Moor, Shockley tranzistorski efekt Bell laboratorij (NN 1956) istraživanje polja u blizini metalne elektrode točkaste diode (nekoliko desetaka µm) 1949 slojni tranzistor 1952 unipolarni tranzistor 1958 Jack Kilby /Texsas Instrimenuts/ i Robert Novace /Fairchild Semiconductors/ integrirani sklop Više na:

32 integrirani sklop - Jack Kilby 1958