ЭЛЕКТРОНИКА

1. Введение.

Электроника изучает принцип работы электронных приборов, их характеристики и примеры в различных схемах.

Электронный прибор – это устройство, в котором используются электронные явления.

Электронное явление – это явление, которое проявляется при взаимодействии свободных электронов с веществом при воздействии электрического или магнитного полей.

Этапы развития электроники:

1895 г. – А. С. Попов изобрел радио.

Оно потребовало разработки электронных приборов.

1895 – 1948 гг. – ламповый период.

1904 г. – первая лампа.

1948 г. – Бардин и Браттейн изобрели биполярный транзистор.

С 1948 г. Начинается транзисторный период.

60-е гг. – создание интегральных микросхем.

70-е гг. – создание больших интегральных микросхем (БИС, число элементов ≈ 10³).

80-е гг. – создание сверхбольших интегральных микросхем (СБИС).

Перспектива дальнейшего развития: развитие функциональной электроники (использование физико-химических явлений жидких и твердых тел вместо обычных электрических компонентов для создания устройств, выполняющих заданную функцию с электрическими сигналами (пьезоэлектрический фильтр)).

В зависимости от элементной базы электронику различают: первого, второго, третьего и т.д. поколений.

2. Классификация электронных приборов.

1. По виду рабочего пространства:

а) электровакуумные;

б) полупроводниковые;

в) газоразрядные;

г) на основе специальных типов проводников (например, с нелинейной зависимостью);

д) жидкостные и жидкокристаллические.

2. По функциональному значению (по виду энергий действующих на входе и на выходе):

а) электропреобразовательные (диоды, транзисторы);

б) электронносветовые (светодиод);

в) фотоэлектрические (фоторезистор);

г) термоэлектрические (термопара);

д) магнитодиоды и т.д.

3. По частоте рабочих сигналов:

а) низкочастотные (НЧ) – до 1 МГц;

б) высокочастотные (ВЧ) - 10⁶÷ 10⁹ Гц;

в) сверхвысокочастотные (СВЧ);

г) оптические приборы (лазеры).

4. По мощности сигналов:

Больше 1 кВт – мощные приборы (мощная лампа).

Больше 3 Вт – для транзисторов.

3. Физика полупроводников.

1. Строение полупроводников – кристаллическое вещество, проводимость которого зависит от температуры и от чистоты.

2. Собственный (чистый, беспримесный) полупроводник i–типа. При комнатной температуре его проводимость низкая, при нагревании возникают (разрушаются ковалентные связи) пары собственных электронов и дырок, причем их количество равное n_i=p_i. Обязательно выполняется условие электрической нейтральности.

3. Полупроводник n–типа образуется за счет донорной примеси (5 валентной). Основная масса образуется за счет атомов примеси, которые превращаются в положительные ионы доноров N_д+ - неподвижны.

Условия для такого полупроводника:

а) n_пр, p_i, n_i – подвижные

б) N_д+ - неподвижны

Тип полупроводника определяется подвижными зарядами, которых больше.

в) n_пр + n_i>>p_i – электронная проводимость

Условие электрической нейтральности:

n_пр + n_i = p_i + N_д+

г) Проводимость σ_n = σ_nпр + σ_ni + σ_pi ≈ σ_nпр

4. Полупроводник p–типа образуется за счет акцепторной примеси (3 валентной).

а) p_пр, p_i, n_i – подвижные

б) N_а- - неподвижны

в) p_пр + p_i>>n_i – дырочная проводимость

г) Проводимость σ_p = σ_pпр + σ_ni + σ_pi ≈ σ_pпр

_{д) условия эл. нейтральности}

5. Влияние температуры на проводимость полупроводника.

6. Токи в полупроводниках.

1. I_диф = I_дифp + I_дифn – определяется разной концентрацией

2. I_др = I_дрp + I_дрn

3. I = I_диф + I_др = 0

4. p-n-переход.

1. Строение p-n-перехода.

- основные носители заряда

- неосновные носители заряда

+, - - неподвижные, ионы

I_диф + I_др = 0

1. За счет разной концентрации основных зарядов возникает диффузионный ток дырок из области p и электронов из области n.

2. В контактной области эти заряды рекомбинируют друг с другом, из-за чего их концентрация становиться меньшей, т.е. образуется область, обедненная подвижными зарядами, образуется p-n-переход.

3. Из-за этого в этой области обнаруживается заряд неподвижных ионов примеси, т.е. создается объемный заряд (в самом полупроводнике сам заряд не обнаруживается, так как в условии электрической нейтральности он компенсировался подвижными зарядами). К этому заряду частично добавляется заряд от перешедших основных зарядов, которые не сразу рекомбинируют, а некоторое время живут (τ_ср – среднее время жизни).

4. Этот заряд образует контактную разность потенциалов φ_к = φ₊ - φ_- , а следовательно образуется электрическое поле Е_к.

5. Эти объемные заряды называются потенциальным барьером, который препятствует диффузионному току - I_диф; за счет образовавшегося поля Е_к создается дрейфовый ток – ток неосновных носителей заряда - I_др.

6. Полный ток через p-n-переход будет определяться I = I_диф + I_др = 0.

2. p-n-переход при прямом напряжении

(«+» прикладывается к p-области, а «-» к n-области).

За счет прямого напряжения - U_пр создается электрическое поле Е_вн, направленное на встречу Е_к, т.е. суммарное поле уменьшается, за счет этого:

а) объемный заряд на p-n-переходе уменьшается;

б) p-n-переход становиться уже, так как нужно меньше объема полупроводника с неподвижными ионами примеси, которые образуют этот объемный заряд;

в) диффузионный ток возрастает значительно, так как это ток основных носителей, которых полно (сопротивление перехода низкое);

г) дрейфовый ток уменьшается I_pn = I_диф↑ + I_др↓ ≈ I = I_диф;

д) пополнение подвижных зарядов осуществляется от источника прямого напряжения.

3. p-n-переход при обратном напряжении

(«+» прикладывается к n-области, а «-» к p-области).

За счет обратного напряжения - U_обр создается электрическое поле Е_вн, совпадающее с Е_к, т.е. суммарное поле увеличивается, за счет этого:

а) это соответствует увеличению объемного заряда в p-n-переходе, а следовательно контактной разности потенциалов;

б) возрастает тормозящее поле для диффузионного тока, т.е. I_диф уменьшается;

в) увеличивается дрейфовый ток, но так как это ток неосновных носителей, которых мало, то ток увеличивается незначительно, он соответствует тепловому току I₀, т.е. сопротивление p-n-перехода большое (I₀ сильно зависит от температуры полупроводника) I_pn = I_диф↓ + I_др↑ ≈ I_др ≈ I₀.

4. Вольтамперная характеристика p-n-перехода (ВАХ).

1. Теоретическая характеристика.

q – Заряд электрона

U – Положительное напряжение (с «+» прямое, с «-» обратное)

k – Постоянная Больцмана

Т – Температура

2. Реальная характеристика отличается от теоретической:

а) при прямом напряжении - временными процессами рекомбинации основных зарядов из-за чего прямая ветвь идет несколько круче;

б ) при обратном напряжении – наличием пробоев перехода.

I_обр

Пробой возникает, когда сопротивление резко уменьшается.

АВ – электрический пробой – обратимый

ВС – тепловой пробой – необратимый

5. Виды пробоев p-n-перехода.

1. Электрические пробои (обратимые) бывают:

а) Туннельные пробои возникают на узких p-n-переходах, когда они созданы при высокой концентрации примеси, на которой образуются большие электрические поля и процесс туннелирования, при котором за счет сильного поля происходит вырывание валентных электронов из самого полупроводника, т.е. образуется большое количество зарядов и сопротивление падает.

б) Лавинный пробой возникает на широких p-n-переходах, когда электроны проходят большое расстояние до столкновения и развивают большие скорости, за счет которых они могут выбить валентные электроны, этот процесс происходит лавинообразно.

2. Тепловой пробой (необратимый) – «обугливание прибора».

6. Эквивалентная схема p-n-перехода.

Сопротивление показывает изменение сопротивления перехода при различных напряжениях.

Диффузионная емкость при прямом напряжении. За счет диффундированных основных зарядов и средней времени жизни (сопротивление перехода низкое).

Барьерная емкость при обратно напряжении. Характеризует объемный заряд на переходе, причем рассматриваем ее как емкость с обкладками конденсатора и, учитывая, что p-n-переход расширяется при увеличении обратного напряжения

U_обр для , , то .

Барьерная емкость используется как переменная емкость в специальных приборах – варикапах.

7. Типы приборов на основе p-n-перехода.

а) Диоды – для преобразования сигналов переменного тока – выпрямление, преобразование сигналов при модуляции и демодуляции (диоды с точечной конструкцией).

О сновные характеристики для выпрямительных и СВЧ диодов.

1. I_{пр max}

2. U_{обр max(доп)}

б ) Стабилитроны.

1. 

2. 

П ример работы параметрического стабилизатора напряжения.

R_{балансное}

I

VD

U_{вх нестаб.}

U_{вых ст}

При возрастании постоянного входного напряжения ток через диод увеличивается (АВ), а напряжение меняется мало – оно стабилизировано. Излишки падают на R_б ( ).

в) Варикапы (варьированная емкость).

О сновные характеристики: C_max, C_min, U_min, U_max.

C_p

L

VD

R

E_п

Величина VD меняется с помощью R и Е_n.

С_р – разделительный конденсатор. Он разделяет, т.е. пропускает сигналы переменного тока и не пропускает постоянный ток. Постоянный ток регулировки варикапа не попадает в индуктивность.

8. Другие типы диодов, динистор и тиристор (см. пункт 6.6.).

9. Импульсные диоды.

Импульсный диод имеет малую длительность переходных процессов, т.е. может быстро открываться и закрываться.

а) Участок времени (t₁, t₂) – диод открыт от прямого напряжения. При этом в области p-n-перехода сохраняется много нерекомбинированных носителей заряда (среднее время жизни), (C_диф).

б) Когда прикладывается обратное напряжение, образуется обратный ток за счет возвращения нерекомбинированных указанных зарядов – участок (t₂, t₃). Обратный ток практически постоянен. Определяется объемным сопротивлением полупроводника.

в) (t₃, t₄) – постепенно все заряды возвращаются назад, ток прекращается.

г) (t₂, t₄) – время восстановления обратного сопротивления диода. Для импульсных диодов этот интервал должен быть минимизирован.

д) Нужно уменьшить диффузионную емкость, чтобы время жизни перешедших зарядов было меньше. Это достигается путем легирования (создания примеси) этих полупроводников медью или золотом. Т.е. создаются как бы «ловушки», которые захватывают электроны и дырки в себя, где они рекомбинируются. Диффузионную емкость можно еще уменьшить за счет уменьшения размеров p-n-перехода.

е) Уменьшение объемного сопротивления.

t₃ ÷ t₄ = t_{восстановления}

t_восст. = 0,1 ÷ 10 мкс

Для сверхбыстрых импульсных диодов t_восст. << 0,1 мкс

10. Диод Шоттки.

Э

А

то полупроводниковый диод, выпрямительное свойство которого основано на воздействии металл-полупроводник (обедненного подвижными зарядами). Обычно они обладают высоким быстродействием и применяются в СВЧ технике, типа выпрямление, преобразование сигналов. Могут быть и силовыми диодами. В основном изготавливаются из кремния и могут выдерживать токи до 100 А.

К

Силовые линии

полупроводник

n

С увеличением обратного напряжения увеличивается напряженность электрического поля и при полях около 300 кВ/см в кремнии начинается ударная ионизация электронно-дырочных пар, их лавинное размножение, приводящее к сильному возрастанию обратного тока p-n-перехода. В простых диодах силовые линии сгущаются у краев контакта металл-полупроводник из-за чего возрастает полевой эффект на краях. Это вызывает лавинный пробой в этих краях при достаточно низком напряжении (1 В). Поэтому для ослабления краевого поля и повышения напряжения была предложена структура с «охранным» p-n-переходом.

При больших токах p-n-переход сам начинает работать, инжектируя неосновные носители заряда – дырки в n-область. Это приводит к накоплению большого избыточного заряда дырок и дополнительно с увеличенной емкостью перехода, ухудшается быстродействие. Эти явления связаны с барьерной емкостью p-n-перехода. Она нелинейно зависит от напряжения на переходе. Барьерная емкость сильно возрастает при прямом напряжении и уменьшается при обратном. В конструкции с «охранным» p-n-переходом влияние барьерной емкости соизмеримо с емкостью барьера Шоттки. Сопоставляя характеристики диода Шоттки с обычным диодом можно сделать следующие выводы:

Сравнивая прямые ветви, видим, что характеристики диода Шоттки идут круче при меньших напряжениях на нем. Поэтому на нем будет меньше рассеиваться мощность (меньше охлаждающих генераторов), а также улучшаются высокочастотные свойства.

11. Преобразовательные диоды.

Это диоды с хорошей односторонней проводимостью и линейно-квадратичной ВАХ.

12. Туннельный диод.

p-n-переход делается из вырожденных полупроводников, то есть с очень большой концентрацией примеси, такой, что уровень Ферми находится в зоне проводимости и в валентной зоне, т.е. проходит значительное искривление энергетических зон.

а) Приложим прямое напряжение

Искривление зон уменьшается, но эффект сбалансированного перехода и рекомбинации зарядов, т.е. сохраняется туннельный эффект.

В точке А перекрытие валентной зоны (ВЗ) в p-полупроводнике и зоны проводимости в n-полупроводнике перестает быть, сопротивление возрастает, ток уменьшается – участок АС. При дальнейшем увеличении U_пр p-n-переход ведет себя обычным образом – участок CD.

б) При U_обр искривление зон увеличивается, туннельный эффект сохраняется – участок OE.

Видно, что данный прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением.

13. О днопереходный транзистор.

С помощью базового тока (на выходе n-канала) I_б1,б2=I_б можно управлять током на входе, т.е. I_эб1=I_э

а ) Если нет I_б, то характеристика тока будет:

б) U_pn = U_эб1 – U_б1 для U_эб1 < U_б1, U_pn = U_обр

Если создать ток I_б, то в нижней части создается падение напряжения

U_эб1 = I_бR_б1 и к p-n-переходу будет приложено обратное напряжение, естественно переход закрыт. Увеличивая U_эб1 > U_б1, переход оказывается под прямым напряжением, открывается (точка А) и ток возрастает.

Применение: как переключающее управляемое устройство, а также как усилительное устройство . На участке АВ отрицательное дифференциальное сопротивление.