А СТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.И. Маненков

кафедра ВТЭ

Методические рекомендации к практическим занятиям по дисциплине

Электроника

для студентов специальности 210406.65 «Сети связи и системы коммутации», 210402.65 «Средства связи с подвижными объектами»

Астрахань - 2012 в.И. Маненков. Электроника

Методические рекомендации к практическим занятиям. Астрахань: АГТУ, 2012, 107 с.

Методические рекомендации содержат учебный материал по курсу «Электроника». Пособие помогает изучать базовые элементы типовых полупроводниковых схем, аналоговых и цифровых интегральных микросхем (ИМС).

Пособие предназначено для студентов специальности 210406.65 «Сети связи и системы коммутации», 210402.65 «Средства связи с подвижными объектами».

Ответственный редактор: доцент И.А. Щербатов

Рецензенты:

1. Доцент Зелинский М.М.

2. Доцент Лаптев В.Д.

© Астраханский Государственный Технический Университет, 2012

1. Цели и задачи изучения дисциплины

Дисциплина «Электроника» – базовая общая естественнонаучная дисциплина для изучения специальных дисциплин, предусмотренных государственным образовательным стандартом.

Цель преподавания дисциплины – изучение студентами:

· физических явлений и процессов, протекающих в различных электронных приборах и микросхемах,

· взаимосвязи между физическими закономерностями этих явлений и процессов в твердых телах с эксплуатационными характеристиками электронных приборов.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

- иметь представление о тенденциях развития электроники;

- знать физические основы функционирования электронных приборов;

- уметь анализировать явления и процессы, протекающие в кристаллических структурах, используемых в составе электронных компонентов.

Материал дисциплины базируется на сведениях, излагаемых в курсах «Физика твердого тела», «Химия радиоматериалов», «Высшая математика».

Ниже приводится список рекомендуемой литературы и методические указания по освоению курса.

2. Методические рекомендации по изучению дисциплины

Электроника – динамично развивающаяся область науки и техники. Связано это с появлением новых электро-радиоматериалов, с открытием новых физических эффектов в уже известных материалах. Их применение позволяет получать изделия с высокой надежностью, быстродействием, устойчивостью к воздействиям окружающей среды, агрессивных сред, ионизирующих излучений, электромагнитных полей. Нанотехнологии позволяют манипулировать атомами, что дает возможность конструировать новые приборы с качественно новыми свойствами. Рассмотрение физических основ работы типичных электронных устройств важно для современного специалиста.

Обычно изделия электроники делят на два класса: активные и пассивные.

Активные преобразователи содержат дополнительный источник энергии, пассивные преобразователи – не содержат. Активные преобразователи преобразуют энергию дополнительного источника. Пассивные преобразователи преобразуют энергию сигнала.

Основа большинства электронных приборов: кремний Si, германий Ge, арсенид галлия GaAs. Для создания приборов используют примесные полупроводники (донорные, акцепторные). Для понимания процессов, происходящих в полупроводниковых структурах, следует изучить элементы зонной теории твердых тел. При изготовлении приборов формируют один или несколько электрических переходов: p-n-переход, гетеропереход, переход металл-полупроводник.

Контакты электронного или дырочного полупроводников с металлами могут быть омическими или выпрямляющими. Омические контакты используются для организации электрических выводов от различных областей полупроводника, а выпрямляющие – для изготовления метало-полупроводниковых структур – диодов Шоттки. Для корректного подбора пары металл-полупроводник нужно учитывать соотношения между работами выхода A_вых электрона из металла и полупроводника.

В гетеропереходе ширина запрещённой зоны в областях, образующих переход, различна. Это служит причиной скачков (разрывов) границ энергетических уровней W_n и W_в в пределах перехода. Наличие этих скачков приводит к ряду преимуществ гетеропереходов по сравнению с гомо p-n-переходами.

Гетеропереходы и переходы Шоттки – структуры без инжекции неосновных носителей заряда в базу, поэтому они более быстродействующие, по сравнению с p-n-переходами.

Электронно-дырочный переход – p-n-переход, также как и гетеропереходы, и переходы Шоттки, имеет ассиметричную вольтамперную характеристику и может использоваться в выпрямительных схемах. В равновесном состоянии p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения токи, создаваемые диффузионными и дрейфовыми потоками свободных носителей зарядов (с.н.з.), взаимно компенсируют друг друга и результирующий ток равен нулю. Подача внешнего напряжения либо уменьшает потенциальный барьер – прямое напряжение, либо увеличивает его – обратное напряжение. В случае прямого напряжения преобладает ток диффузии – прямой ток, создаваемый основными носителями каждой области и резко возрастающий с ростом прямого напряжения в связи с большим запасом основных носителей. В случае обратного напряжения диффузионный перенос зарядов уменьшается и преобладает дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями зарядов. Поскольку концентрации неосновных зарядов в обеих областях малы, величина обратного тока чрезвычайно мала и не зависит от величины обратного напряжения.

При сильном энергетическом воздействии обратный ток резко возрастает, что может привести к разрушению структуры кристалла – тепловой пробой. При частичном разрушении ковалентных связей разрушение кристалла не происходит, и пробой имеет обратимый характер – после прекращения энергетического воздействия, разрушенные ковалентные связи восстанавливаются и кристалл возвращается в исходное состояние. В широких (слабо легированных) p-n-переходах пробой обусловлен ударной ионизацией узлов кристалла – лавинный пробой. В тонких (сильно легированных, вырожденных) p-n-переходах пробой обусловлен туннельным эффектом. В режиме туннельного и лавинного (электрического) пробоя работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения. Сильно легированные полупроводники используются при изготовлении туннельных и обращенных диодов.

Электронно-дырочный переход обладает некоторыми инерционными свойствами – диффузионной (действует в прямом включении) и барьерной емкостью (в обратном включении), которые шунтируют часть сигнала и увеличивают время переключения диода из одного состояния в другое. Переходы, в которых каким-либо способом уменьшают диффузионную емкость, т.е. уменьшают время переключения, используют в качестве импульсных диодов. Переходы, в которых каким-либо способом увеличивают барьерную емкость, используют для создания варикапов – конденсаторов, управляемых обратным напряжением.

Изменения электрических свойств полупроводников и p-n-переходов под воздействием электромагнитного излучения происходит в силу того, что частицы электромагнитного поля (чаще всего инфракрасного, светового или ультрафиолетового диапазонов), проникая вглубь материала, способствуют повышению электропроводности полупроводника или появлению фото-ЭДС на границах p-n-перехода.

Энергия фотонов (частота облучающего электромагнитного поля) пропорциональны ширине запрещённой зоны материала полупроводника. Фотоэлектрические эффекты используются в фоторезисторах, фотодиодах, солнечных фотоэлементах, фототранзисторах и других фотоэлектрических приборах, преобразующих энергию электромагнитных волн в электрическую энергию.

Полупроводниковые приборы на основе электрических переходов, преобразующие электрическую энергию в энергию светового излучения, называются светодиодами. Излучающие диоды работают в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра.

В электронике используются также взаимообратные эффекты Зеебека и Пельтье. Эффект Зеебека – возникновение термо-ЭДС на концах спаев из двух различных токопроводящих материалов. Эффект Пельтье – поглощение или выделение в местах спаев двух разнородных проводников избыточной по сравнению с джоулевой теплоты.

Гальваномагнитный эффект Холла – возникновение ЭДС в кристалле, по которому протекает ток при помещении его в магнитное поле, ортогональное направлению тока. На этом эффекте работают датчики Холла.

Одна из важных задач полупроводниковой электроники – увеличение рабочих частот и быстродействия приборов. Физические ограничения, определяющие предел быстродействия различных приборов: конечность времени релаксации заряда, конечность скоростей движения носителей заряда, действие постоянных времени перезаряда емкостей переходов. Другая проблема – повышение допустимой мощности рассеяния, что трудно осуществить не в ущерб быстродействию этих приборов. Для решения задач необходимо всестороннее изучение физических процессов, происходящих в полупроводниковых приборах, совершенствование технологий их производства, разработка новых технологических приемов, изыскание новых принципов действия и эффектов, с помощью которых можно выполнять необходимые функциональные преобразования.