Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

С.В. СТОРОЖЕНКО

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2013

УДК 621.38 (075.80)

ББК 32.85

С 861

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ: Учебное пособие/ Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Сост. С.В.Стороженко. СПб. 2013. 141 с.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», бакалавров, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника», а также для студентов специальности 130400 «Горное дело» по специализации «Электрификация и автоматизация горного производства», изучающих дисциплину «Физические основы электроники»» Содержание и последовательность изложения материала полностью соответствуют программе данного курса.

Научный редактор проф. А.Е.Козярук

Табл. 12. Ил. 87. Библиогр.: 4 назв.

• Национальный минерально-сырьевой

университет « Горный», 2013 г.

Введение

Электроника – это область науки и техники, которая изучает физические процессы и характеристики полупроводниковых, электровакуумных и газоразрядных приборов, устройств и систем, основанных на применении этих приборов.

Электронные устройства и системы широко применяются для измерения, контроля и управления различными технологическими процессами, для преобразования и регулирования энергии.

Проектировать и создавать электронные приборы, системы должны, конечно, специалисты по электронике. Но грамотно сформулировать для них задачу на проектирование, описать алгоритм технологического процесса и эксплуатировать электронную систему должны инженеры практически всех специальностей.

В данном курсе рассмотрим физические основы электроники, знание которых необходимо каждому современному инженеру. В электронике следует выделить три основные области.

1. Электронные приборы.

2. Информационная электроника.

3. Преобразовательная техника.

К электронным приборам относятся полупроводниковые приборы, вакуумные и газоразрядные. Наибольшее применение в настоящее время находят полупроводниковые приборы. С начала 40-х годов, когда были разработаны первые полупроводниковые диоды и транзисторы, началось их широкое применение во всех областях науки и техники. Номенклатура этих приборов исключительно широка: от микросхем, где помещается 10⁷ элементов на одном кристалле, до силовых транзисторов на токи в килоамперы и напряжения в киловольты.

Информационная электроника, которой мы уделим наибольшее внимание, занимается устройствами контроля, передачи, обработки и отображения информации. К информационной электронике относятся усилители, генераторы, логические схемы, счетчики, индикаторы и другие элементы вычислительной техники.

Широкое развитие информационной техники началось в 60-е годы с началом эры микроэлектроники – раздела электроники, охватывающего исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов – интегральных микросхем. Это дало с 70-х годов начало микропроцессорной технике.

Преобразовательная техника связана с преобразованием вида электрического тока для электропривода, электротехнологии, электротермии и т.д. Разработка новой полупроводниковой элементной базы существенным образом повлияла на развитие преобразовательной техники, где преобразование энергии на высокой частоте позволило создать новые экономичные устройства.

В данном курсе мы кратко остановимся на преобразовании электрической энергии малой мощности, рассматривая маломощные однофазные выпрямительные устройства и их работу на различные виды нагрузки. Преобразовательные устройства средней и большой мощности рассматриваются параллельно в рамках дисциплины “Преобразовательная техника”.

1. Полупроодниковые приборы

1.1. Полупроводниковые диоды

Работа полупроводниковых приборов основана на свойствах полупроводниковых материалов, которые по своим электрическим свойствам (удельной электрической проводимости) занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Полупроводниковые приборы изготавливаются главным образом из германия Ge или кремния Si. Эти элементы расположены в 4 периоде таблицы Менделеева.

При низких температурах чистые германий и кремний по своим свойствам стоят ближе к диэлектрикам, чем к проводникам. Электроны участвуют в построении тетраидальной кристаллической решетки, и свободных носителей заряда практически нет. По мере нагревания полупроводника часть валентных связей нарушается, электрон может оторваться от кристаллической решетки. Это приведет к одновременному образованию двух носителей заряда – электрона и дырки. Дырка – это положительный ион, способный принять на свободную валентную связь электрон. Дырка ведет себя подобно частице с единичным положительным зарядом ,– она захватит электрон другого атома, и благодаря этому появится дырка в другом узле кристаллической решетки, что можно расценивать как перемещение первой дырки по полупроводнику.

Чистые полупроводники практического интереса не представляют. Введение в чистый кристалл некоторого количества примесей существенно меняет его свойства. Если в кремний внести атом пятивалентной сурьмы, то четыре ее валентных электрона будут участвовать в построении кристаллической решетки, а пятый будет слабо связан с ядром и уже при комнатной температуре оторвется от ядра и сделается свободным.

Получим новый полупроводник, в котором будет избыток свободных носителей заряда – электронов. Такие полупроводники называются полупроводниками n – типа. Основными носителями в них являются свободные электроны. Дырки для таких полупроводников являются неосновными носителями. Примесь, внесенная в полупроводник и вызвавшая электронную проводимость, называется донором.

Если, например, в кремний внести трехвалентный индий, то в новом полупроводнике будет избыток носителей заряда – дырок. Такой полупроводник называется дырочным, или полупроводником p – типа, а соответствующие примеси – акцепторными. Дырки в p – полупроводнике будут основными носителями, а появившиеся за счет собственной проводимости электроны – неосновными.

Проводимость вещества зависит от наличия в нем основных носителей. Для образования определенного типа полупроводника (n или p) требуется очень маленькая доза примеси: примерно один атом примеси на 10⁸ атомов основного полупроводника.