БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат 1988.320 с.
2.Основы промышленной электроники / Под ред. проф. В.Г Герасимова. М . Высш, шк., 1986, 335 с.
3 Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М: Высш. шк., 1982, 496 с.
1.ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Современные сложные электронные устройства содержат до 109 элементов, что обу словливает необходимость решения проблем надежности, миниатюризации, автоматизации проектирования и изготовления.
1.Надёжность. Оценивают по времени безотказной работы Т,
где /, |
время безотказной работы одного элемента; |
|
п - |
количество элементов; |
|
|
л Т |
=> Т Т |
|
»Т |
=> T i |
Пути увеличения надёжности:
- увеличение // (улучшение технологии и контроля, новое обрабатывающее оборудо
вание);
-уменьшение п («упаковка» в интегральные микросхемы - ИМС);
-применение интегральных микросхем (сегодня в одной ИМС до 10б элементов, на дёжность ИМС « надёжности одного транзистора,).
2. |
Миниатюризация. Микросхема, содержащая 10б элементов, занимает объём 1 см? |
3. |
Автоматизация проектирования и изготовления. Ориентация на использование |
ИМС обусловливает применение ЭВМ как для их проектирования, так и для изготовления.
1.1Полупроводниковые приборы
1.1.1Физические основы полупроводников
Для объяснения электропроводности твердых тел целесообразно использовать поня тие энергетической зоны. Энергетическая зона - это множество энергетических подуровней, которые получены при соединении атомов в кристалл за счёт расщепления соответствующе го энергетического уровня электронов отдельного атома. С точки зрения электропроводно сти нас интересует взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости (рис. 1.1).
Валентная зона (ВЗ) получается при расщеплении энергетических уровней валентных электронов. Зона проводимости (ЗП) - это ближайшая к валентной зоне разрешённая зона. В эту зону попадает электрон, если ему сообщить дополнительную энергию. Электрон стано вится свободным (т.е. способным перемещаться под действием электрического поля, создавая электрический ток), если рядом есть свободные энергетические подуровни. Так как в валент-
з
|
4. Диффузия прекращается (основные носите |
|||
|
ли прекращают движение)., |
|
||
|
5. Возникает движение неосновных носителей |
|||
|
под действием потенциального барьера |
|||
|
Используя информацию о кристаллическом |
|||
|
строении полупроводников р- и //-типа, процессы в |
|||
|
/;-ц.-переходе можно объяснить следующим образом. |
|||
|
Пятый валентный электрон примеси полупроводника |
|||
|
«-типа переходит на дефектную ковалентную связь |
|||
|
примеси полупроводника р-типа. В пограничной об |
|||
|
ласти п возникает слой положительных ионов, в по |
|||
|
граничной области р - |
слой отрицательных ионов. |
||
|
Таким образом, в пограничной области не стало ни |
|||
|
свободных электронов, ни свободных дырок, поэто |
|||
|
му она обладает повышенным сопротивлением. |
|||
|
Токи в р-п-переходе: |
- ток диффузии - ток |
||
|
основных |
носителей; |
/про*од |
- ток проводимости |
|
(ток дрейфа) - ток неосновных носителей; 1р.п - ток |
|||
|
через р-/?-псреход, 1р.п = “ /дИф |
/провод. В установив |
||
Рис, 1.7 |
шемся режиме /р_п = 0 . |
|
|
|
Р-п-переход под воздействием внешнего напряжения (рис. 1.8, рис. 1.9). При прямом |
||||
включении «-//-перехода напряжение |
U подключается плюсом к р, а минусом к п. Так как |
|||
электрическое поле источника £ ист |
направлено |
навстречу |
электрическому полю р-н- |
|
перехода, то ослабятся вес эффекты, создаваемые полем р-л-перехода:
1)сузится областьр-л-перехода (I);
2)сопротивление R 1;
3)потенциальный барьер (p -I;
4)/ЛИф t;
5)/прОВi;
6)U,,n It.
При обратном включении «-«-перехода напряжение U подключается плюсом к л, а минусом к р. Поскольку электрическое поле источника Е^ сг совпадает по направлению с по лем р-л-перехода, то все эффекты, создаваемые полем р-л-перехода, усилятся:
1)расширится область р-п-перехода (А);
2)сопротивление R Т;
3)по1енциальный барьер ср Т;
4)Лн.|. >1;
5 ) Т,
Ь) I А,,, I Т, но не намного, так как неосновных носителей мало.
На 1ып-а\терная характеристика (ВАХ) р-п-перехода / f(l J) (рис. 1.10). Так как при -прямом включении ток создается основными носителями, а при обратном - неосновными, то прямой ток много больше обратного. Поскольку обратный ток на участке.0-1 на 3 порядка меньше прямого, то им можно пренебречь и считать, что ток через р-н-переход проходит только в одном направлении (вентильное свойство р-н-перехода).
Пробои p-n-nei>exoda. Пробой - это резкое возрастание обратного то ка На рис. 1.10 1-2 - участок элек трического пробоя (увеличение тока связано с увеличением носителей за рядов под действием ударной иониза ции нейтральных атомов движущими ся электронами), 2-3 —участок тепло вого пробоя (увеличение тока связано с термогенерацией носителей заря
дов)! ЭлектрическиОробой обратим, |
|
|
а тепловой нет. |
|
|
Основные свойства р-п-перехо- |
|
|
да: |
|
|
1. |
Повышенное сопротивление. |
Рис. 1.10 |
2. |
Вентильное свойство. |
|
3.Элегический пробой.
4.F.MKocTHoe свойство В пограничной области р-и-перехода накапливаются заряды, а
сама область обладает повышенным сопротивлением. В этом смыслер-п-переход напоминает конденсатор, поэтому р-и-переход обладает емкостным свойством.
5.Изменение ширины р-п-перехода под воздействием приложенного напряжения.
1.1.2.Диоды
Диод —это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на ка
ком-либо свойстве одногор-и-перехода.
Выпрямительные диоды. Используется вентильное свойство р-и-перехода. Данные диоды применяются в основном для создания выпрямителей. Наиболее распространены дио ды на основе Ge (ГД) и Si (КД).
Величина обратного тока диода зависит, от температуры (рис. 1.11). ГД - более температурно зависимы; КД - менее температурно зависимы.
Условное обозначение:
+ — Н — '
Однофазная 2-полупериодная схема вы прямителя приведена на рис. 1.12. В первую по ловину периода в соответствии с указанной на рисунке полярностью напряжения открыты дио ды Д1 и ДЗ. Диоды Д2 и Д4 закрыты. Во второй полупериод полярность изменяется - открыты Д2 и Д4, а закрыты Д1 и ДЗ.
В первую половину периода ток it обозна чен сплошной линией, во вторую ток h - штри ховой. Оба тока i] и h по нагрузке протекают в одном направлении, т.е. по нагрузке протекает постоянный по направлению - пульсирующий ток.
Временная диаграмма работы выпрямителя представлена на рис. 1.13. Для сглажива- -шя пульсаций включают ёмкостный фильтр С ф и стабилизатор.
Рис. 1.12
( 'табилитроны - это полупроводниковые приборы, использующие при работе свойство электрического пробоя. Применяются наиболее часто в стабилизаторах для сглаживания пульсации напряжения. Включение производят в обратном направлении. ВАХ стабилитрона приведена на рис. 1.14. В рабочей области характеристики стабилитрона ма лому изменению напряжения соответствует значительное изменение тока.
Условное обозначение:
4-
Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 1.15, где - балластное сопротивление, Ui = Ui— lit - При изменении напряжения U\ происходит резкое изменение тока через стабилитронов соответствии с этим резко изменяется Ue,в результате чего Ui оста ется практически неизменным.
Ни/шкап - это диод, принцип действия которого основан на емкостном свойстве />//- перехода Зависимость ( /{(f) приведена на рис. 1.16. Используется в устройствах автома тической подстройки частоты (АПЧ)
Условное обозначение:
- т 1
и
Рис. 1.16
Светодиод - это полупроводниковый прибор, в котором используется выделение энергии в виде света.при прохождении тока. Такие диоды используют в устройствах индика ции.
Условное обозначение:
/ /
Фотодиод - это полупроводниковый прибор, реагирующий на свет. Работает в двух режимах: фотопреобразовательноМ и фотогенераторном. В фотопреобразовательном режиме под воздействием светового по тока Ф увеличивается обратный ток фото диода. Такие диоды'используют в устройст вах, реагирующих на свет. В фотогенератор
ном режиме диод работает как источник электрической энергии, преобразующий энергию света в электрическую. ВАХ фотодиода представлена на рис. 1.17.
1.1.3. Транзисторы
Транзисторы - это приборы, предназначенные для регулирования тока И работы в ка честве усилительных элементов в усилительных схемах.
БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР - это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на совокупных свойствах двух />-л-переходов. Транзистор имеет трехслой ную структуру. В соответствии с порядком чередования слоев различают транзисторы PNP- и MW-типа. На рис. 1.18 представлены структуры и условные обозначения транзисторов PNP- и MW-типа.
э — |
ь |
|
Рис. 1.18
Условное обозначение': Э - эмиттер, Б - база, К - коллектор.
Структура и принцип действия транзистора PNP-nxna. приведены на рисТ,1.19. Конст руктивные особенности среднего слоя (базы): база выполняется очень узкой (несколько мик рон) и концентрация основных носителей (электронов) в ней очень мала. Транзистор вклю чает 2 /;-д-перехода:
I /^-//-переход включим в прямом направлении.
II /^//-переход включим в обратном направлении.
Под воздействием приложенного напряжения дырки из эмиттера устремляются в базу через открытый ^-//-переход Э-Б;. создавая ток эмиттера /э. Встречным потоком электронов можно пренебречь вследствие их малого количества. Из-за особенностей базы лишь неболь
шая часть пришедших дырок рекомбинирует с е , создавая небольшой ток базы h . Основная же часть дырок достигает П (закрытого) ^-/ьперехода. Поскольку дырки в базе являются не основным)! носителями, то голе закрытого р-м-перехода для них ускоряющее и они втягива ются в область коллектора, создавая ток коллектора 1к. Очевидно, что h 1к /б, а так как ток базы мал, то /*• = /> Усилительные свойства транзистора характеризуются коэффициен том передачи тока.
А^вых
*i =
Л/вх
Различают 3 схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором:
I. Схема с общей базой (рис. 1.20):
Ki =<х=— = 0,95...0,99, ДЛ,
Р ВХОД = I ВХОДU ВХОД = и в д /д ,
Р ВЫХ = / ВЫХUВЫХ= / ки КБ •
Так как h ^/к, а напряжение 11кб >>^/бэ => Рш х>ш>Р вх до идет усиление сигнала по мощ ности.
_ .. _ ^ВЫХ |
_ |
|
|
|
|
1 |
1 |
в: |
|
Л'в |
£ |
|||
л |
11
д/к - 1- а
Д'-э При а = 0.95 у= 20, т.е. сигнал усиливается по току и по мощности.
Рис. Г.21 |
|
|
Рис. 1.22 |
3. Счема с общим эмиттером (рис. 1.22): |
|
||
К |
- |
А/к/А/-3 |
<* |
1 Р ~ А /Э- А /К |
|
А/э /А/э - Л/* /А/э |
1- а |
При а = 0,95 р = 19.
Схема усиливает сигнал по току, напряжению и мощности и является самой распро страненной схемой включения.
Анализируя схемы включения транзистора, можно сделать вьШоД, что источник входного сигнала подключается к открытому переходу эмиттер-база, (Задающему малым сопротивлением. Следовательно, биполярный транзистор обладает малым входным сопро тивлением. Это является его основным недостатком.
Статические вольт-амперные характеристики схемы с общим эмиттером Разли чают два семейства характеристик: входные /вх / ( UBX) при Свых const, то есть /р / ( (/Б)
при /Ук |
ccmst (рис. 1.23, а) и выходные /вых ” / ( % ых)-лри /вх = const,, та.есть /к = /(£ 'к) |
при /г> |
const (рис. 1.33-4, б). По выходным характеристикам можно определить |
Рис. 1.23 11
Область |
Состояние р/мюреходов |
|
работы |
эмиттер-база база-коллектор |
|
Насыщения |
Открыт |
Открыт |
Отсечки |
Закрыт |
Закрыт |
Линейная |
Открыт |
Закрыт |
Области-работы пцкиписпнцю. На вы ходных характеристиках можно выделить три области работы транзистора (рис. 1.24): насы щения (I); линейной работы (II); отсечки (III) В области отсечки и насыщения нет прямо пропорциональной зависимости между вход ным и выходным током, эта зависимость на блюдается только в области линейной рабо ты, где Д/к = Р Д/б. (таблица).
Зависимость /пы х=/(/а\)
Нс зависит (транзистор полностью открыт) Не зависит (транзистор полностью закрыт) Прямо-пропорциональная
Персбельподопустимые параметры транзистора. Для нормальной работы транзи стора необходимо укладываться в область, огранйченную предельно допустимыми парамет рами. (Ac(nw\), /k*(nia>c)t
-если UK '' (/к(т*.ч), возможен пробой коллекторногори-перехода;
-если /к Iк(тлх), возможен перегрев эмиттерногор-н-перехода;
- если 1 \ Рщюх), работа транзистора невозможна из-за перегрева коллекторного р-н- перехода (/" - Рк). Область работы транзистора ограничивают все три условия (рис. 1.25).
Пример конструкции биполярного транзистора (рис.1.26). В пластину Gen вплавля ют кусочки акцептора (In). В месте вплавления в результате диффузии получаются участки полупроводника ртипа (Gep).
Рис. 1.25 |
Рис. 1.26 |
ПОЛЕВОЙ (УНИПОЛЯРНЫЙ) ТРАНЗИСТОРэто транзистор, в котором ток через канал регулируется с помощью электрического поля затвора.
Условное обозначение:
С
3
И
Электроды полевого транзистора:
-исток (И) - электрод, через который носители заряда входят в канал,
-сток (С) - электрод, через который носители заряда выходят из канала,
-затвор (3) -электрод, с помощью которого регулируется ток через канал.
Полевой транзистор с каналом п-типа и затвором в виде р-п-перехода. Структура полевого транзистора данного типа, представленная на рисЛ.27, имеет один р-н-переход между затвором и каналом, который включают в обратном направлении, при этом возникает область повышенного сопротивления (заштрихованная область на рис. 1.27).
Под воздействием напряжения £/ис ток через канал протекает только по той части, ко торая не входит в область р-л-перехода. Изменяя напряжение на затворе, мы изменяем об ласть р-л-перехода, за счет чего изменяется та часть канала, по которой протекает ток (ак тивное сечение канала). Эти изменения вызывают изменение сощхтдоения канала, а следо вательно, и тока через канал, т.е., изменяя напряжение на затворе, можно регулировать ток через канал:
(I t/зи!I<1 Пзт\) => (S] > S2) => {RK\<RKI) => (/ю>1к2),
здесь площадь активного канала сечения, Як - сопротивление канала, /к - ток канала.
Схема с общим истоком (рис. L 28). Источник входного сигнала (ИС) подключен к за крытому р-л-переходу, обладающему большим сопротивлением, следовательно, прибор об ладает высоким входным сопротивлением —это его главное преимущество перед биполяр ным транзистором. Выходные характеристики схемы с общим истоком представлены на рис.1.29.