Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

лекции по электронике

.pdf
Скачиваний:
32
Добавлен:
12.03.2015
Размер:
1.62 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский государственный технологический университет

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Казань 2007

УДК 53 (075.8)

ББК 22.3я7

Промышленная электроника: Учебное пособие / А.В. Васильев, А.Н. Миляшов,

Д.Д. Михайлов, Р.Ф. Сабитов, Ю.Г. Соколов, И.Г. Цвенгер, И.Р. Хайруллин; Казан.

гос. технол. ун - т., Казань, 2006., 66 с., ISBN 0-0000-0.

Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса промышленной электроники. Содержит все основные разделы курса. Рассмот-

рены физика явлений в полупроводниковых приборов и основные принципы постро-

ения электронных схем.

Предназначено для студентов всех форм обучения механических и техноло-

гических специальностей.

Подготовлены на кафедре Электропривода и электротехники КГТУ.

Табл. 0. Ил. 25. Библиогр.: 9 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского госу-

дарственного технологического университета

Рецензенты:

ISBN 0-0000-0000-0

© Казанский государственный

 

технологический университет, 2006 г.

-2-

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Полупроводниковые приборы………………………………………….4

1Физика явления p-n - перехода. Диоды…………………………………………..6

2Полупроводниковые выпрямители…………………………………………..….10

3Сглаживающие фильтры………………………………………………………....25

4Транзисторы………………………………………………………………………29

5.Полупроводниковые усилители………………………………………………...36

6.Усилители постоянного тока……………………………………………………50

7.Электронные генераторы………………………………………………………..55

Библиографический список………………………………………………………..65

-3-

ВВЕДЕНИЕ. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Полупроводниковые приборы- электронные приборы, принцип действия которых основан на использовании свойств полупроводников.

К полупроводникам принято относить вещества, удельное электрическое сопротивление которых занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками при комнатной температуре лежит в пределах

10 4 1010 Ом·см. Вещества, удельное сопротивление которых меньше ука-

занного предела, относят к проводникам. Вещества, удельное сопротивление которых больше указанного предела, относят к диэлектрикам.

В основе электрических явлений в полупроводниковых приборах лежат процессы движения свободных носителей электрических зарядов. Т.е. частиц,

не связанных с отдельными атомами и способных свободно перемещаться в кристаллической структуре. В полупроводниках свободные носители зарядов могут образовываться в результате разрыва ковалентных связей и отделения от атомов полупроводника валентных электронов либо в результате ионизации атомов примесей. Процессы образования свободных частиц называются гене-

рацией, а процессы возвращения свободных частиц в связанное состояние - ре-

комбинацией.

Процесс образования свободных носителей зарядов требует затраты не-

которой энергии, необходимой для «освобождения» частиц из связанного со-

стояния. Эта энергия может быть сообщена кристаллу в различной форме: в ви-

де тепла (тепловая генерация), кинетической энергии движущегося тела (удар-

ная генерация), энергии электрического поля (полевая генерация), энергии фо-

тонов при облучении светом.

ковалентной называют связь между 2-мя валентными электронами соседних атомов, при которой оба электрона, принадлежащие двум соседним атомам, вращаются по одной общей орбите.

-4-

Рекомбинация частиц сопровождается выделением энергии, которая мо-

жет быть излучена в виде фотонов (излучательная рекомбинация) или же вос-

принята кристаллической решеткой в виде фононов (безизлучательная реком-

бинация).

В большинстве полупроводниковых приборов используется явление при-

месной проводимости. В качестве основного кристаллического вещества ис-

пользуют кремний или германий. Атомы кремния и германия четырехвалент-

ны. В узлах кристаллической решетки германия расположено четыре атома.

Валентные электроны атомов находятся в ковалентных связях с валентными электронами соседних атомов. Благодаря ковалентным связям, атомы удержи-

ваются в узлах кристаллической решетки. Если в кристаллическую решетку внести примесь пятивалентного вещества (сурьма, мышьяк, фосфор), то атомы примеси займут соответствующие места в узлах кристаллической решетки. Че-

тыре валентных электрона каждого атома примеси войдут в ковалентные связи с соседними атомами германия, а пятые останутся незанятыми, и будут очень слабо связаны с атомами. Именно эти электроны и будут участвовать в прово-

димости, которая называется электронной. Атомы примеси, дающие избыточ-

ные электроны кристаллу основного вещества, называются донорами.

Если ввести в кристалл германия или кремния в качестве примеси трех-

валентное вещество, например, бор, алюминий, галлий или индий, то одна из ковалентных связей в каждом атоме примеси окажется незанятой, и на нее мо-

жет перейти валентный электрон с соседнего атома основного вещества. В

следствии этого, в атоме основного вещества образуется недостаток электронов

(дырки). Под действием электрического поля дырки будут перемещаться в направлении электрических силовых линий и создадут дырочную проводи-

мость. Атомы трехвалентной примеси называют акцепторами, т.к. они присо-

единяют к себе валентные электроны основного вещества, образуя отрицатель-

ные ионы.

-5-

1 ФИЗИКА ЯВЛЕНИЯ P-N –ПЕРЕХОДА. ДИОДЫ

Электронно-дырочный переход.

Электронно-дырочным переходом (ЭДП) называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая - дырочную проводимость. Существуют различные тех-

нологии изготовления электронно-дырочного перехода: диффузия, эпитаксия,

сплавление. Так же ЭДП различаются по конструкции: симметричные и несим-

метричные, резкие и плавные, плоскостные и точечные, однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность,

при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другомнет.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рисунке 1 Одна часть этого перехода имеет электронную проводимость, другая дырочную.

Рис. 1. Устройство электронно-дырочного перехода

Электроны N-области стремятся проникнуть в P-область, где концентра-

ция электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из P-области перемеща-

ются в N-область. В результате возникает диффузионный ток. Электроны и дырки, пройдя через границу раздела, создают электрическое поле Eсобств , ко-

-6-

торое препятствует дальнейшему прохождению диффузионного тока. Электри-

ческое поле Eсобств для основных носителей электрических зарядов является тормозящим, а для неосновных - ускоряющим.

Высота потенциального барьера на p-n - переходе определяется контакт-

ной разностью потенциалов N и P областей, обычно не превышающей 1В.

Контактная разность потенциалов, в свою очередь зависит от концентра-

ции примесей в этих областях

 

 

 

 

N

P

 

 

 

ln

n

p

к

 

2

 

Т

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

(1).

Где Nn и Pp - концентрация электронов и дырок в n и p областях, ni -

концентрация носителей зарядов в нелегированном проводнике.

Контактная разность потенциалов для германия составляет 0,6…0,7 В,

для кремния 0,9…1,2 В.

Высоту потенциального барьера можно менять приложением внешнего напряжения. Если внешнее напряжение создает в p-n - переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается. И

наоборот, если внешнее напряжение создает в p-n - переходе поле, которое про-

тивоположно внутреннему, то высота потенциального барьера уменьшается.

Вольт-амперная характеристика. Прямой и обратный токи.

Обратный ток в p-n - переходе вызывается неосновными носителями од-

ной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они являются основными. Так как концентра-

ция основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных,

то появление незначительного количества основных носителей не изменит рав-

новесного состояния полупроводника. Т.о. обратный ток зависит только от ко-

-7-

личества неосновных носителей, появляющихся на границе области объемного заряда.

Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера,

т.е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения.

При прямом смещении p-n - перехода появляется также диффузионный

ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциаль-

ный барьер (инжекция носителей). Т.е при протекании прямого тока через пе-

реход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция элек-

тронов, а из дырочной - инжекция дырок.

Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера экспо-

ненциально:

I

 

I

 

U /

 

диф

s

e

T

 

 

 

 

 

 

 

,

(2)

где U - напряжение на p-n – переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости,

протекающий в обратном направлении, поэтому полный ток при прямом сме-

щении p-n - перехода будет равен разности диффузионного тока и тока прово-

димости.

U / T 1)

.

(3)

Iпр Iдиф Is Is (e

Этому уравнению соответствует вольт-амперная характеристика (ВАХ), пред-

ставленная на рис. 2б.

Из выражения 3 можно определить дифференциальное сопротивление p-n - перехода:

rдиф

Т

.

(4)

(I Is )

 

 

 

-8-

Рис. 2. Условное обозначение (а) и ВАХ (б) полупроводникового диода

Устройство полупроводникового диода.

Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вы-

вода и содержит один или несколько p-n - переходов. Условное графическое обозначение диода и его структура представлены на рис. 2а. Электрод диода,

подключенный к области P, называют анодом, а электрод, подключенный к об-

ласти N - катодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на 2 группы: выпрями-

тельные и специальные. Выпрямительные предназначены для выпрямления пе-

ременного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n - перехо-

дов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением.

-9-

При большом токе через p-n - переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. ВАХ выпрямительного ди-

ода имеет вид:

I Ise

(U IR) /

T

,

(5)

 

 

 

 

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называ-

ется последовательным сопротивлением.

 

 

 

Следует отметить, что на показанной статической ВАХ (рис. 2б)

масштаб

первого и четвертого квадрантов отличается от масштаба второго и третьего,

т.к. обратный ток диода несоизмеримо мал по сравнению с прямым. Поэтому,

если начертить всю ВАХ в одном масштабе, то кривая обратного тока сольется с осью Uпр .

2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Однополупериодные выпрямители.

Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рис. 3а)

является простейшей из известных схем выпрямления. Для упрощения анализа будем считать диод и трансформатор идеальными, т. е. полагаем, что сопротив-

ление диода в прямом направлении равно нулю, в обратном - бесконечности, а

активные и реактивные сопротивления обмоток трансформатора равны нулю.

Рис. 3. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя (а),

и основные диаграммы (б)

-10-

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.