Добавил:

bagiwow Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

Физика

Файл:

electronics

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

12.12.2013

Размер:

2.09 Mб

Скачать

☆

1 / 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

	1
Электроника и микроэлектроника (схемотехника)
Содержание
	стр.
Полупроводниковые приборы ................................................................................................	2
Физика p – n перехода ............................................................................................................	5
Вольт-амперная характеристика p - n перехода ..............................................................	7
Пробой p - n перехода .........................................................................................................	8
Емкость p - n перехода .......................................................................................................	10
Диоды ........................................................................................................................................	11
Транзисторы .............................................................................................................................	14
Физика работы транзистора ...............................................................................................	15
Схемы включения транзистора .........................................................................................	16
Статические характеристики транзистора .......................................................................	18
Малосигнальный режим транзистора ...............................................................................	21
Эквивалентные схемы замещения транзистора ...............................................................	22
Малосигнальные H-параметры ..........................................................................................	24
Частотные свойства транзистора ......................................................................................	25
Полевые (униполярные) транзисторы ...................................................................................	26
МДП (МОП) – транзисторы ...................................................................................................	28
Четырёхслойная полупроводниковая структура ..................................................................	31
Электронные усилители...........................................................................................................	33
Режимы работы усилителей (классы усиления). ..............................................................	36
Усилители напряжения низкой частоты. Задание точки покоя. .....................................	38
Методы стабилизации рабочей точки................................................................................	39
УННЧ. Схема с ОЭ. Анализ работы в режиме усиления переменного тока.................	41
Обратные связи....................................................................................................................	46
Эмиттерный повторитель (каскад с общим коллектором) ..............................................	49
Усилители мощности ..........................................................................................................	51
Усилители постоянного тока..............................................................................................	55
Дифференциальный усилитель ..........................................................................................	56
Операционные усилители...................................................................................................	57
Схемы включения ОУ.........................................................................................................	59
Импульсная (цифровая) электроника.....................................................................................	62
Влияние RC – цепи на прямоугольный импульс..............................................................	63
Электронный ключ на биполярном транзисторе..............................................................	65
Ключи на полевых транзисторах........................................................................................	69
Логические элементы в цифровых устройствах...............................................................	71
Триггеры...............................................................................................................................	73
Счетчики...............................................................................................................................	81
Регистры ...............................................................................................................................	84
Цифровые устройства комбинационного типа.................................................................	90
Мультиплексор................................................................................................................	90
Демультиплексор............................................................................................................	91
Комбинатор (Шифратор)................................................................................................	92
Декомбинатор (Дешифратор) ........................................................................................	92
Сумматор .........................................................................................................................	93
Цифровой компаратор....................................................................................................	95
Электронная память.............................................................................................................	96
Электронные генераторы.........................................................................................................	99
Генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний.............................................	100
Мультивибраторы................................................................................................................	104

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы – это электронные приборы, в которых движение и изменение концентрации электронов (протекание тока) происходит в кристаллическом твердом теле – кристалле полупроводника. В качестве полупроводников обычно применяют кремний (Si) и германий (Ge).

Собственная проводимость полупроводников


						Чистый		кремний (Si) или
Ge	-	-	Ge	e	Зона прово-	германий (Ge)		имеют кристалли-
					димости	ческую решетку, где каждый атом
-			-
	Ge					связан с четырьмя другими бли-
-			+	W	∆W	жайшими атомами ковалентными
	-	-				связями. Пространственная орбита
Ge			Ge		Валентная	жестко связана энергией, следова-
					зона
						тельно,	можно		рассматривать
						строение	атома		как энергетиче-

ское. Электроны находятся на определенных энергетических уровнях. Для твердого тела рассматривают не отдельные уровни отдельных атомов, а зоны уровней энергии.

При температуре (Т = 0К) в полупроводниках нет свободных электронов. Ток проходить не может, то есть при Т = 0К полупроводник является изолятором (диэлектриком). При повышении температуры электроны под действием тепловой энергии вырываются из ковалентной связи и становятся свободными, не связанными с конкретными атомами. На месте ухода появляется незаполненная связь. Отсутствие электрона в ковалентной связи условно называют дыркой, которая имеет положительный единичный заряд. Процесс образования свободных электронов и дырок при нагревании называется тепловой регенерацией. Проводимость, обусловленная тепловой генерацией электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью. Чем выше температура, тем выше концентрация свободных электронов и дырок.

Таким образом, в проведении тока могут участвовать и электроны, и дырки. При движении в кристалле полупроводника электрон и дырка встречаются и взаимоуничтожаются. Такой процесс исчезновения свободных электронов и дырок называют рекомбинацией.

Как показано на рисунке, энергетическая зонная диаграмма кристалла полупроводника разделена на три зоны. Валентная зона полностью заполнена валентными электронами при Т = 0К. Запрещенная зона не имеет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны. Находящиеся в зоне проводимости электроны обладают энергией, позволяющей им разрывать связи с атомами и перемещаться внутри кристалла.

∆Wп/п = 0,7 (Ge) ÷1,1(Si) эВ; ∆Wдиэл. > 6 эВ.

Примесная проводимость n – типа (донорная)							Если в чистый кри-

Si	-	-	Si	e	Зона прово-		сталлический Ge добавить
					димости	∆W a	ничтожную долю атомов 5
-		-	-		∆W		– валентного элемента, на-
-	Sb		-	W			пример сурьмы Sb, то че-
	-	-					тыре электрона сурьмы бу-
Si			Si		Валентная		дут участвовать в кова-
					зона
							лентных связях, а пятый
							электрон не участвует и
слабо связан с ядром. Энергия связи пятого элемента с ядром, называемая энергией ак-

концентрация собственных электронов.

концентрация донорных электронов;

концентрация электронов; концентрация дырок;

тивации (∆WA), во много раз меньше энергии ковалентной связи и составляет всего 0,01 эВ.

При Т =0К тепловая энергия равна нулю и пятые электроны связаны со своими атомами. При повышении температуры слабо связанные электроны легко отрываются от атомов Sb и становятся свободными, однако не дает при этом дырки. Как показано на зонной диаграмме электроны донорной (отдающей) примеси занимают энергетические уровни в запрещенной зоне основного материала, вблизи дна зоны проводимости. При этом концентрация примесных электронов много больше концентрации собственных носителей заряда (Ne >> n i).

Таким образом, проводимость, обусловленная электронами, называют электронной проводимостью, а проводник с электронной проводимостью – полупроводником n - типа (или электронным полупроводником).

	Примесная проводимость p – типа (акцепторная)
	Если в чистый кристаллический Ge добавить ничтожную долю атомов 3 – валент-
ного элемента, например индия In (бора, алюминия и др.), то три валентных электрона ин-
							дия будут участвовать
Si	-	-	Si		Зона прово-		только	в трёх	кова-
					Зона прово-		лентных связях из че-
					димости		лентных связях из че-
-		In	-		∆W		тырёх.	Одна	кова-
-			-				лентная связь остается
-			+	W			лентная связь остается
-		-	+	W		∆W a	незаполненной.		В эту
Si	e -	-	Si		Валентная	∆W a	незаполненную		кова-
					зона		лентную связь		могут
							легко	переходить
							электроны из		сосед-
них ковалентных связей. Необходимая для этого энергия называется энергией активации и
составляет 0,01 эВ. Как показано на зонной диаграмме электроны акцепторной (прини-
мающей) примеси будут находиться на энергетических уровнях вблизи крыши валентной
зоны.

При Т =0К свободные электроны отсутствуют, следовательно, полупроводник является диэлектриком. При повышении температуры из валентной зоны электроны переходят на акцепторный уровень, и появляются свободные положительные носители тока – дырки (основные носители), не принадлежащие конкретным атомам. При этом концентрация акцепторов во много раз превышает концентрацию собственных носителей (Np >>

p i).

Таким образом, проводимость, обусловленная дырками, называют дырочной проводимостью, а проводник с дырочной проводимостью – полупроводником p - типа (или дырочным полупроводником).

Концентрация основных носителей заряда для n – типа:

Равновесная концентрация

nn pn = ni pi = ni2 = pi2, где

nn - pn -

nд + n in = n n , где nд –

nin –

Концентрация основных носителей заряда для p – типа:

Равновесная концентрация

np pp = ni pi = ni2 = pi2, где n p - концентрация электронов;

p p - концентрация дырок;

p a + pip = pp , где

p a – концентрация акцепторных дырок; n ip – концентрация собственных дырок.

Токи в полупроводниках

В отличие от металла, в полупроводниках возможны два типа носителей тока – электроны и дырки, поэтому плотность тока j в полупроводнике определяется электронной j n и дырочной j p составляющими:

j = j n + j p.

Кроме того, направленное движение каждого из носителей (ток) может быть обу-

словлено электрическим полем – дрейфом носителей – дрейфовый ток j др. лах), а также градиентом концентрации носителей – диффузией носителей ный ток jдиф.:

j др. = j n др. + j p др,

j диф. = j n диф. + j p диф.,

j Σ = j n др. + j n диф. + j p др + j p диф.

(как в метал-

– диффузион-

Физика p – n перехода

Электронно-дырочный переход (p-n переход) – граница между электронной и дырочной областями в кристалле полупроводника с прилегающими неравновесными слоями. Кристаллическая структура на границе электронной и дырочной областей не должна быть нарушена.

В n-области основными носителями заряда являются электроны с концентрацией n n, а неосновными – дырки с концентрацией pn. В p-области основными носителями заряда являются дырки с концентрацией pp, а неосновными – электроны с концентрацией np. На границе d (граница между p– и n– областями) образовалась резкая разница в концен-

E i

трациях дырок (pp>>pn) электронов (nn>>np), то

есть имеет место градиент концентрации сво-

бодных носителей. Происходит диффузия ос-

- - -

+ + +

новных зарядов (дырки из p-области диффун-

- - -

+ + +

дируют в n–область, электроны – из n–области

- - -

+ + +

в p–область, при этом возникают диффузион-

- - -

+ + +

ные токи).

В результате образуется двойной

слой, создающий внутреннее электрическое по-

ле (Ei), которое препятствует диффузии основ-

ных носителей зарядов. Это поле действует на

неосновные носители заряда и создает дрейфо-

вые токи, следовательно, поле ослабляется и

появляется новая диффузия основных зарядов.

ϕ 0

Процесс заканчивается установлением динами-

ческого равновесия, при котором силы диффу-

зии уравновешены встречными силами внут-

реннего электрического поля (то есть токи

основных

носителей

зарядов

jp диф

уравновешиваются

токами

неосновных

jn диф

носителей зарядов и результирующий ток через

jp др

переход равен нулю). При отсутствии внешнего

jn др.

поля в режиме динамического равновесия

образуется

контактная

разность

потенциалов

ϕ0, называемая потенциальным барьером.

ϕ0 = ϕ т ln (p p / p n) = ϕ т ln (n n / n p) ,

ϕ0 = 0,5÷1 В, где ϕ т - температурный потенциал, равный ϕ т = k·T/q = 25 мВ, где k –

постоянная Больцмана, q – единичный заряд электрона.

Как уже указывалось, результирующий ток через переход при отсутствии внешнего смещения равен нулю, однако через p-n переход при этом происходит незначительное движение носителей, обуславливающее протекание двух токов малой величины: теплового тока I0 и диффузионного I0 диф. (I0 = – I0 диф.). Тепловой ток обусловлен тепловой генерацией собственных носителей, которая всегда происходит во всем объеме полупроводника с интенсивностью, определяемой температурой. Диффузионный ток является следствием протекания теплового тока и определяется полем Еi и температурным потенциалом перехода.

											6
P - n переход при внешнем смещении
Обратное включение								Если	внешнее	напряжение
-		Е см				U a	+	Если	внешнее	напряжение
		Е см						Ua подключить плюсом к n–области,
		E i						а минусом – к p–области, то поле
								внешнего источника Есм в переходе
p	-	- - -	+ + +	+	n			будет совпадать по направлению с
p	-	- - -	+ + +	+	n			внутренним полем Еi , а потенциаль-
	-	- - -	+ + +	+				ный барьер ϕ на переходе будет ра-
	-	- - -	+ + +	+				вен сумме внутреннего потенциаль-
	-	- - -	+ + +	+				ного барьера ϕ0 и внешнего смеще-
		h 0						ния Ua:	ϕ = ϕ0	+ Ua .
		h 0

ϕ		h						Величина Ua может во мно-
						x		го раз превышать величину ϕ0 и дос-
						x		тигать сотен вольт. При этом в пере-
ϕ 0								ходе протекает результирующий ток
								Ia, в обратном направлении равный I0
								(Ia обр= I0), так как I0 увеличивается
U a								вследствие усиления электрического
U a								поля Е в переходе.
								Таким образом, в обратном
								направлении через переход протека-
								ет ничтожно малый ток I0 (измеряет-
								ся микроамперами или долями мик-
								роампера) при высоком обратном
напряжении. Поэтому обратно смещенный переход можно представить разомкнутыми
контактами ключа (ключ отключен), что часто используется на практике.
Как показано на рисунке,
ширина p-n перехода h при обратном						+		Е см		U a	-
смещении увеличивается p - область								Е см
смещении увеличивается p - область								E i
по сравнению с равновесной шириной								E i
h0.
Прямое включение							p	-	+	n
Если внешнее напряжение Ua							p	-	+	n
подключить плюсом к p–области, а								-	+
минусом – к n–области, то поле								-	+
внешнего источника Есм в переходе								-	+
будет направлено против внутреннего								h
поля Еi , а потенциальный барьер ϕ на								h 0
переходе будет уменьшен на величи-							ϕ	h 0
переходе будет уменьшен на величи-							ϕ
ну внешнего смещения Ua:										x
		ϕ = ϕ0	– Ua .							x
		ϕ = ϕ0	– Ua .
Через переход с пониженным								ϕ
потенциальным барьером резко уве-								ϕ
личится диффузионный поток дырок						ϕ 0
в n-область и электронов в p-область,								U a
таким образом, резко возрастает диф-								U a
таким образом, резко возрастает диф-
фузионный ток		I0 диф. через переход
(внешнее смещение ослабляет внут-
реннее поле Ei). При этом прямой ток
будет равен разности токов диффузии

I диф. и теплового тока I0: Ia = I диф - I 0 ≈ I диф, так как I диф >> I 0. Прямой ток на несколько порядков превышает обратный ток и может достигать величин от сотен миллиампер до ампер.

Напряжение прямого смещения всегда меньше внутреннего потенциального барье-

ра ϕ0 (Ua = 0,5 ÷1 В).

Таким образом, в прямом направлении через p - n переход протекает большой ток при очень малом (почти нулевом) напряжении. Поэтому прямосмещенный p - n переход можно представить замкнутыми контактами ключа (ключ включен), что часто используется в практике.

Ширина p-n перехода h при прямом смещении уменьшается по сравнению с равновесной шириной h0 .

Вольт – амперная характеристика p - n перехода
				График	зависимости
	Идеальная			между током и напря-
I a , А	Реальная			жением	называется
				вольт – амперной ха-

		Прямое		рактеристикой			(ВАХ).
				Характер	переноса но-
I ном		включение
				сителей заряда через p-n
				переход в прямом и об-
Uобр. max	I a Rобл			ратном	направлениях
					обуславливает
				определенный			ход
				ВАХКак показано.		на рисун-
	Uном	Ua	, В	ке, реальная ВАХ отли-
I				чается от идеальной.
Обратное	обр.			I a = I0 (e	(Ua / ϕ т )		– 1)

включение				Ua* (Si) = 0.5 В
				Ua* (Ge) = 0.7 В

Пробой p - n перехода

Пробой p - n перехода –

Пробой p - n

резкое

возрастание

обратного

перехода

тока через p-n

переход при не-

Тепловой

Электрический

значительном

увеличении

об-

пробой

ратного напряжения.

Лавинный

Туннельный

пробой

Лавинный пробой

обусловлен

лавинным размножением носителей в

p-n переходе в результате ударной ио-

низации атомов быстрыми носителями

зарядов. Под действием обратного на-

пряжения неосновные носители заряда

ускоряются и при движении сталкива-

ются с

атомами кристаллической

ре-

Лавинный пробой

шетки. При каждом ударе количество

свободных электронов увеличивается в

два раза. Ионизация происходит только в запорном слое h. Описанный процесс носит ла-

винный характер (отсюда название) и возникает в широких p-n переходах, где при движе-

нии под действием электрического поля носители заряда, встречаясь с большим количест-

вом атомов кристалла, в промежутках между столкновениями приобретают достаточную

энергию для их ионизации.

Зона проводим.

Валентная

зона n

Валентная

зона

Туннельный пробой обусловлен непо-

средственным отрывом валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда увеличивают обратный ток через p-n переход. Такой тип пробоя возникает в узких p-n переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля, приводящая к возникновению туннельного эффекта, в результате которого происходит «просачивание» электронов сквозь тонкий потенциальный барьер.

Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 1-2 на обратной ветви ВАХ. Причина этого заключается в том, что небольшое повышение напряжения на p–n переходе вызывает более интенсивную генерацию в нем носителей заряда при пробоях.

Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми процессами, то есть при снятии напряжения p–n переход восстанавливается.

Туннельный пробой

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в p-n переходе при недопустимом повышении температуры. В запорном слое h выделяется

	I a		мощность P0 = I0·Ua , следовательно, проис-
	I a		ходит нагрев p-n перехода, а при повышении
	U		температуры t0 увеличивается тепловой ток
	U	a	I0, что вызывает рост мощности и так далее.
		a	С ростом Uобр повышается температура. Пока
1			С ростом Uобр повышается температура. Пока
1	тепловой		P0 < Pтеплоотдачи, процесс проходит в нормаль-
	пробой		ном режиме, как только P0 > Pтеплоотдачи , рост
			P0 , I0 , t0 будет происходить и без повышения
			Uобр . Такой процесс заканчивается расплав-
			лением этого участка и выходом p-n перехода
			из строя.

2	электрический
	пробой
Влияние температуры на ВАХ диода (p - n перехода)
					Основное			влияние
	I a , А		Т	Т1	температуры на ВАХ обу-
	I a , А		Т	Т1	словлено сильной зависимо-
	I2		2	Прямое	стью концентрации неоснов-
	I2			Прямое	стью концентрации неоснов-
				включение	ных носителей	примесного
T2 >	T1				полупроводника.
T2 >	T1	А2			При	повышении
	I o I	А2		А1	температуры изменяются и
	1			А1	прямая, и обратная ветви
	I 'o				ВАХ. Таким образом, тепло-
U проб. 1 U проб. 2					вой ток I 0 увеличивается в 2
U проб. 1 U проб. 2		U2	U1	U , В	раза на каждые		10 °С		(см.
		U2	U1	U , В	формулу). Напряжение				про-
				a	боя при повышении темпера-
					боя при повышении темпера-
	Обратное				туры перехода уменьшается.
	Обратное						t2−200
	включение				′		t2−200
					′			100
					I0 =(I0)200С −2
Тепловой расчет

Характеристики:

Pрасс. – мощность рассеивания; Rtnc – тепловое сопротивление; t°пер. – температура перехода;

t°окр. – температура окружающей среды.

Уравнение теплового баланса: t°пер. - t°окр. = Rtпс Pрасс.

Для улучшения условий охлаждения применяют радиаторы, тогда

Rtпс = Rtпк + Rtкс , где

Rtпк - тепловое сопротивление (переход – корпус); Rtкс – тепловое сопротивление (корпус - среда).

При плотном соединении радиатора с корпусом: Rtкс ≈ Rtрад., тогда

t°пер. - t°окр. = (Rtпк + Rtрад.) Pрасс.

Stрад. = 103/ Rtрад.

Пример:
I ad = 400 A;	Pрасс = U·I =1,1 400=440 (Вт)
U ad = 1.1В;	t°пер = (Rtпк + Rtрад.) Pрасс + t°окр
t°окр = +50° C;	t°пер = (0,13+0,08) 440+50 = 142°
Rtпк = 0,13 Гр/Вт;	Stрад. = 103/ Rtрад. = 1000/0,08 = 12500 (см2)
Rtрад = 0,08Гр/Вт.
Емкость p - n перехода

В p – n переходе происходит накопление и рассасывание заряда. Этот процесс носит инерционный характер, следовательно, p – n переход обладает паразитной емкостью и представляет собой плоский конденсатор, обкладками которого являются приле-

гающие границы p – и n – областей, а диэлектриком – p – n			переход.
Барьерная емкость возникает при обратном напряжении, при возрастании кото-
рого происходит увеличение запорного				C
слоя h и уменьшение барьерной емко-				C
сти.	С б = Q/U.
	С б = Q/U.			C диф.
Диффузионная емкость ха-		С бар.		C диф.
рактеризует	накопление подвижных	С бар.
носителей заряда в p – и n – областях.
Эта емкость зависит от тока: чем выше
Эта емкость зависит от тока: чем выше		- U		+ U
ток, тем выше	С диф. При прямом сме-
ток, тем выше	С диф. При прямом сме-
щении на высоких частотах величина
Сдиф. увеличивается.
Сдиф	> С б.

Наибольшее влияние на работу p - n перехода оказывает барьерная емкость.

τ = R C , R обр. С бар. > C диф.Rпр.

R обр. > > Rпр.

Обе емкости обуславливают инерционность p - n перехода.

1 / 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете Физика

#
12.12.20132.09 Mб27electronics.pdf
#
12.12.20136.48 Mб21супермен.jpg
#
12.12.2013494.23 Кб27физика.bmp