лекции по электронике
.pdfМинистерство 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-