Промышленная электроника

Цели и задачи учебной дисциплины:

В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен уметь:

• различать полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры на схемах и в изделиях;

• определять назначение и свойства основных функциональных узлов аналоговой электроники: усилителей, генераторов в схемах;

• использовать операционные усилители для построения различных схем;

• применять логические элементы, для построения логических схем, грамотно выбирать их параметры и схемы включения.

В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен знать:

• принципы функционирования интегрирующих и дифференцирующих RC-цепей;

• технологию изготовления и принципы функционирования полупроводниковых диодов и транзисторов, тиристора, аналоговых электронных устройств;

• свойства идеального операционного усилителя;

• принципы действия генераторов прямоугольных импульсов, мультивибраторов;

• особенности построения диодно-резистивных, диодно-транзисторных и транзисторно-транзисторных схем реализации булевых функций;

• цифровые интегральные схемы: режимы работы, параметры и характеристики, особенности применения при разработке цифровых устройств;

• этапы эволюционного развития интегральных схем: большие интегральные схемы (БИС), сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), микропроцессоры в виде одной или нескольких сверхбольших интегральных схем (МП СБИС), переход к нанотехнологиям производства интегральных схем, тенденции развития.

Физические свойства электронов.

1. Электрический заряд e = 1.60217733´10^-19 к.

2. Масса покоя электрона m_e = 9.1093897´10^-31 кг.

3. Радиус электрона классический r_e = 2.81794092´10^-15 м.

4. Магнитный момент электрона m_Б = 9.2740154´10^-24 а×м²

Движение электронов в электронном поле.

Во всех электронных и ионных приборах электронные потоки в вакууме или газе, находящемся под тем или иным давлением, подвергаются воздействию электрического поля. Взаимодействие движущихся электронов с электрическим полем является основным процессом в электронных и ионных приборах. Рассмотрим движение электрона в электрическом поле.

На рис. изображено электрическое поле в вакууме между двумя плоскими электродами, на которые подано напряжение U (катод и анод). Из катода, вылетает электрон со скоростью V. Поле действует на электрон с силой F и притягивает его к электроду с более высоким положительным потенциалом (аноду). Электрон двигается ускоренно и приобретает наибольшую скорость в конце своего пути, т. е. при ударе об электрод, к которому он летит. Таким образом, при движении электрона в ускоряющем поле происходит увеличение кинетической энергии электрона за счет того, что поле совершает работу по перемещению электрона. Электрон всегда отнимает энергию от ускоряющего поля.

Скорость, приобретаемая электроном при движении в ускоряющем поле, зависит от пройденной разности потенциалов U и определяется формулой

 

при U — 100 в скорость V ~ 6 000 км/сек.

Электронная эмиссия.

• Термоэлектронная эмиссия

- возникает в результате нагрева. Используют в вакуумных и газонаполненных приборах.

• Электростатическая (автоэлектронная эмиссия)

- обусловлена наличием у поверхности тела сильного электрического поля.

• Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект)

- эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность светового излучения.

• Вторичная электронная эмиссия

- испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.

• Ионно-электронная эмиссия

- испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

• Взрывная электронная эмиссия

- испускание электронов в результате локальных взрывов.

• Криогенная электронная эмиссия

- испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. Мало изученное явление.

Электротехнические материалы.

По электропроводности вещества можно разделить на четыре группы:

- диэлектрики

- проводники

- сверхпроводники

- полупроводники

Диэлектрики – это вещества, которые существенно препятствуют протеканию через них электрического тока ввиду высокого удельного сопротивления (10⁸ Ом • м) Применяют в качестве изоляции проводов.

Проводники – это материалы, которые почти не препятствуют протеканию по ним электрического тока благодаря низкому удельному сопротивлению (10^–5 Ом • м) Используют в кабелях и проводах в качестве токоведущих шин.

Сверхпроводники – это материалы, которые при охлаждении резко уменьшают удельное сопротивление до нуля. В результате отсутствуют потери энергии на омическом сопротивлении и увеличивается КПД. К сверхпроводникам относят соединения NbN, NbTi, Nb₃Sn. У большинства сверхпроводников критическая температура лежит вблизи абсолютного нуля, что снижает практическую пригодность этих материалов.

Полупроводники – это вещества, удельное сопротивление которых зависит от внешних условий: температуры, светового потока и т.д. В результате, в определённых условиях полупроводники могут менять своё удельное сопротивление, и оно может стать таким, как у проводников или как у диэлектриков. При температуре вблизи абсолютного нуля полупроводники становятся диэлектриками, а при нагреве они проявляют свойства проводников. Зависимость их сопротивления от температуры нелинейная.

Классификация электрорадиоэлементов.