ED641[1]
.pdfМинистерство образования Российской Федерации Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
А. П. Попов, В. И. Степанов
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
Омск Издательство СибАДИ
2004
УДК 621.38 (042.3.4) ББК 32.85 П 58
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Омского государственного университета путей сообщения В.Н. Зажирко,
гл. инж. Центрального конструкторского бюро автоматики (ЦКБА) А.И. Дворник
Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве курса лекций для специальностей 180800 «Электрооборудование автомобилей и тракторов», 200400 «Промышленная электроника» и др.
Попов А. П., Степанов В. И.
Физические основы электроники: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2004.
– 167 с.
Рассмотрены физические процессы, определяющие принципы построения и работы полупроводниковых, электровакуумных, газоразрядных, оптоэлектронных и квантовых приборов. Приведены основные характеристики и параметры диодов, транзисторов, тиристоров и других приборов, составляющих элементную базу устройств информационной и силовой электроники.
В учебном пособии не рассматриваются схемотехнические вопросы, т.к. в соответствии с образовательным стандартом РФ вопросы схемотехники изучаются в специальных курсах.
Табл. 1. Ил. 128. Библиогр.: 13 назв.
|
© А.П. Попов, В.И. Степанов, 2004 |
ISBN 5-93204-174-9 |
© Издательство СибАДИ, 2004 |
2
ВВЕДЕНИЕ
Электронику в самом общем смысле можно назвать наукой о формировании потоков электронов и об управлении этими потоками в технических устройствах различного назначения. Несмотря на различие областей применения и многообразие режимов работы электронных устройств, все они строятся на общих принципах и состоят из ограниченного числа электронных приборов (ЭП). Для грамотной эксплуатации готовых электронных устройств и правильного применения ЭП в новых разработках, научных исследованиях инженеру необходимо знать их основные характеристики и параметры.
Доля информационно-управляющих устройств и преобразователей энергии, построенных на ЭП, непрерывно увеличивается во всех отраслях промышленности. Главной причиной этого являются достижения интегральной технологии, позволяющей выпускать в массовых количествах надежные, быстродействующие, малогабаритные и дешевые микроэлектронные, функциональные узлы различного назначения. Интегральная технология в настоящее время оказывает сильное влияние и на энергетическую (силовую) электронику, стимулируя разработку экономичных управляемых приборов большой единичной мощности.
Наглядным примером быстрого развития интегральной технологии служат персональные компьютеры (ПК). В течение последних пятнадцати лет сменилось уже пять поколений микропроцессоров, составляющих основу ПК, причем каждое новое поколение обеспечивает значительно большую вычислительную производительность, чем предыдущие.
В лекциях основное внимание уделено физическим процессам, определяющим характеристики и параметры широко используемых ЭП: диодов, транзисторов, тиристоров, электронных ламп, электронно-лучевых трубок, фотоэлектронных квантовых приборов.
Общим свойством всех ЭП является существенная нелинейность их вольт-амперных характеристик, поэтому при определении основных параметров ЭП использованы простые и наглядные графоаналитические методы теории нелинейных электрических цепей. Изучение физических основ электроники дает возможность понять особенности схемотехники устройств информационной и силовой электроники, рассматриваемых в специальных курсах.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
Протекание электрического тока является единой физической основой функционирования всех ЭП, однако закономерности этого процесса в значительной степени зависят от характера среды, в которой проходит элек-
3
трический ток. Поэтому ЭП по принципу действия делят на полупроводниковые (ПП), электровакуумные (ЭВ) и газоразрядные (ГР).
Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на протекании электрического тока в твердых кристаллических полупроводниках. В настоящее время эта группа ЭП наиболее обширна и включает диоды, транзисторы, оптоэлектронные и другие приборы.
Электровакуумными называют приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока в вакууме. К ним относят электронные лампы, электронно-лучевые трубки, фотоэлектронные умножители, магнетроны и другие приборы.
Газоразрядными называют приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока через плазму (ионизированный газ). Плазма возникает при ионизации газов и паров ртути, поэтому ГР приборы часто называют ионными. К этой группе относят газотроны, игнитроны, тиратроны и другие.
Исторически первыми были изучены и использованы электрические и магнитные явления, возникающие при прохождении электрического тока в металлических проводниках. Промышленный выпуск основных пассивных элементов электротехники и электроники около ста лет назад положил начало развитию электронной промышленности.
С изобретением трехэлектродной электронной лампы – первого ЭП, способного усиливать мощность электрических сигналов, – в начале ХХ века появилась реальная возможность передавать разнообразную информацию на большие расстояния, управлять потоками электрической энергии, что стимулировало бурное развитие технологии производства ЭП. К началу 50-х годов основные технические характеристики ЭВ и ГР приборов уже приближались к их теоретическим пределам. Новый импульс развитию электронной промышленности дало изобретение в 1949 г. транзистора. С этого времени ПП занимают основное место среди остальных ЭП.
2.ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ
ИМАГНИТНОМ ПОЛЯХ
Во всех электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборах используется взаимодействие движущихся электронов как с электрическими, так и с магнитными полями. Поэтому, прежде чем приступать к изучению самих ЭП (ЭВ, ГР, ПП), необходимо рассмотреть движение электрона в однородном и неоднородном электрических полях, а также в магнитном поле, в вакууме и кристаллическом теле. Это позволит понять процессы, происходящие в ЭП, и принципы их работы.
4
2.1. Движение электрона в электрическом поле в вакууме
Электрические поля подразделяются на однородные и неоднородные.
Однородным называют электрическое поле, напряженность которого E в каждой точке пространства постоянна по величине и имеет одно и то же направление. В остальных случаях электрическое поле называют неоднородным. Напомним, что электрон является элементарной частицей материи и обладает отрицательным зарядом. Величина заряда и масса неподвижного электрона соответственно
qe 1,6 10 19 Кл = е; |
me 9,1 10 28 г. |
С возрастанием скорости под действием электрического поля масса электрона возрастает, но до скоростей порядка 30 000 км/с увеличением массы можно пренебрегать. В ряде приборов, к числу которых относятся ускорители электронов бетатроны, скорость электронов достигает 200 000 км/с и более. Возрастание массы электрона значительно влияет на их работу.
Движение электронов в однородном ускоряющем электрическом поле
Между заряженными пластинами а и б существует электрическое поле (рис. 2.1). Кулоновская сила, действующая на электрон в этом однородном поле:
F qe E eE .
Работа, затраченная на перемещение единичного заряда между пластинами а и
б
b
U EdI Ed ,
a
+ + +_ + + +
_
E V_ 
V0 
e
d
называется разностью потенциалов или напряжением между пластинами а и б.
Так как электрическое поле однородно (Е = const в любой точке между пластинами), то электрон движется равноускоренно с ускорением
a F
me .
5
Если начальная скорость электрона V0 направлена так же, как на рис. 2.1, то он начинает равноускоренно двигаться в сторону положительно заряженной пластины.
После того как электрон достигнет верхней пластины, он получает энергию W , равную работе сил электрического поля по перемещению электрона:
W 0,5meVmax2 0,5meV02 Fd eEd eU .
Если электрон ускоренно движется при напряжении U 1 В, то он получит энергию, равную одному электрон-вольту (1 эВ). При V0<<Vmax
энергия W 0,5meVmax2 eU . Тогда скорость электрона в конце движения
Vmax 
2W
me =
2eU
me
зависит только от пройденной разности потенциалов, так как заряд и масса электрона, если не учитывать релятивистский эффект, постоянны.
Скорость электрона довольно высока. Уже при U 1 В
Vmax 
2eU
me 6 105 м/с.
Определим теперь время t пролета электроном в вакууме расстояния d , полагая, что V0 0, а средняя скорость движения электрона
Vcp 0,5Vmax 0,5
2eU
me 3 105
U .
Тогда
t d
Vcp d
3 105 
U .
Например, при U 100 В; d 3 мм получаем
t 3 10 3
3 105
100 10 9 с.
Как видим, даже при сравнительно больших расстояниях и малых напряжениях время пролета получается очень малым.
Этим объясняется высокое быстродействие ЭВ приборов. При низких частотах изменения электрического поля во времени (до нескольких десятков мегагерц) их можно считать безынерционными.
Однако на сверхвысоких частотах f порядка тысяч мегагерц период T 1
f становится соизмеримым со временем пролета и нужно учитывать инерционность ЭВ приборов.
6
Движение электрона в однородном тормозящем электрическом поле
Если начальная скорость электрона V0 направлена против действия кулоновской силы в однородном электрическом поле (рис. 2.2), то он будет двигаться равнозамедленно и его кинетическая энергия уменьшается. В ускоряющем поле, как было показано ранее, работу по перемещению электрона совершает источник, создающий электрическое поле. При перемещении электрона в тормозящем поле его энергия уменьшается в соответствии с выражением
W 0,5meV02 Ue,
где U – разность потенциалов, которую проходит электрон. Если электрон при своем движении перемещается от верхней до нижней пластины, то его кинетическая энергия уменьшится на величину
W eU ,
где U – разность потенциалов между пластинами. Если при этом
0,5meV02 eU ,
то электрон будет двигаться подобно телу, брошенному вверх.
а
+ + + + + + +
_ 
_
e
E |
V0 |
|
U |
_ |
d |
V |
|
|
|
|
б
+ + + _+ _+ + +
_ _
F=Eе- |
V |
V0 |
_ |
|
|
E |
|
e |
|
|
|
U |
|
|
|
Рис. 2.2. Движение электрона в |
Рис. 2.3. Движение электрона в |
тормозящем электрическом поле |
поперечном электрическом поле |
Движение электрона в однородном поперечном электрическом поле
Электрон влетает в электрическое поле с начальной скоростью V0 под
прямым углом по направлению к линиям поля E (рис. 2.3). Если напряженность электрического поля равна нулю, то электрон перемещается параллельно пластинам, то есть по горизонтали. Но так как E 0, то электрон будет непрерывно с постоянным ускорением отклоняться в сторону
7
положительно заряженной пластины. Поэтому траектория движения представляет собой параболу. После выхода из поля электрон будет двигаться
равномерно со скоростью V0 , при этом энергия электрона не увеличивается.
Движение электрона в неоднородном электрическом поле
В неоднородном поле непрерывно изменяются направление и величи-
на вектора E в пространстве между электродами, создающими поле. Однако потенциалы точек на некоторых поверхностях в этом поле оказываются равными. Эти поверхности называются эквипотенциальными
(рис. 2.4).
|
|
|
|
|
|||
|
+ |
+ |
U |
||||
|
+ |
+ |
|
|
|||
|
_ |
|
|
+ |
|
||
V |
|
|
|
|
+ + |
||
_ |
|
|
|
|
|
||
_V0 |
e |
|
|
|
|
|
U |
E |
|
|
|
|
|
||
а
_
V
_
_ 
E
V0
e
Cф е р а 
++ + _+_
V |
V |
|
|
|
_ |
_ |
|
V0 |
|
e |
e |
|
V0 |
|
|
|
б |
|
Рис. 2.4. Движение электрона в неоднородном поле, создаваемом двумя заряженными пластинами, расположенными под углом друг к другу (а), и в поле, создаваемом заряженной сферой и пластиной (б)
Как видно из рис. 2.4, б, неоднородное электрическое поле может оказывать фокусирующее действие на электроны. Если вместо сферы выбрать не выпуклую, а вогнутую поверхность, то эквипотенциалы также будут иметь вогнутую форму. Так как электроны стремятся двигаться по нормали к эквипотенциальной поверхности, то в этом случае электрическое поле будет рассеивать, а не фокусировать электроны.
На принципах движения электронов в неоднородном электрическом поле основана работа электронной оптики (электронные линзы, электростатические фокусирующие системы электронно-лучевых устройств).
2.2. Движение электрона в кристаллическом электропроводящем теле. Электрическая проводимость и сопротивление проводника
В вакууме под действием электрического поля электрон ускоренно движется между электродами без столкновений. При этом кинетическая энергия электрона непрерывно увеличивается.
8
В проводниках (металлах), имеющих кристаллическую структуру, свободные электроны также ускоренно движутся под действием электрического поля на отрезке времени от одного столкновения с узлами кристаллической решетки до другого. При таких столкновениях электроны отдают кинетическую энергию, нагревая проводник.
Рассмотрим движение электрона в кристаллическом проводнике. Пусть проводник имеет длину l, поперечное сечение S , на концах действует разность потенциалов Uaб (рис. 2.5). Обозначим время свободного пробега (ускоренного движения) электрона. Напряженность электрического поля в проводнике
Ускорение электрона между столкновениями:
aF
me eE
me ,
амаксимальная скорость движения электрона (к моменту столкновения):
Vmax a eE 
me .
E Uaб 
l.
а |
Uаб |
б |
|
_ |
|||
S |
|
||
i |
E |
i |
|
|
l
Рис. 2.5. Кристаллический проводник
Средняя скорость равноускоренного движения электрона между столкновениями:
Vcp 0,5Vmax 0,5eE 
me .
Сила тока, проходящего через проводник:
i q
t nSleVcp 
l neSVcp ,
где n – концентрация свободных электронов в единице объема проводника. Тогда плотность тока в проводнике j определяется отношением, выражающим закон Ома:
j i
S neVcp 0,5ne2 E
me E 1E ,
где |
– удельное сопротивление проводника; 1 0,5ne2 m |
|
e |
– удельная проводимость, которая зависит от n и , то есть от материала проводника.
9
Таким образом, напряженность электрического поля внутри кристаллического твердого тела определяет среднюю скорость движения электронов и величину электрического тока. Она же определяет тепловую энергию W и мощность P, которая выделяется в проводнике:
W Uaбit lE2 St;
P dW
dt Uaбi l E2S 1E2VT Uaб 
R,
где R l
S – сопротивление проводника; VT lS – объем проводника. Диэлектрики отличаются от проводников тем, что они практически не
имеют свободных электронов, то есть n 0. Поэтому их проводимость ничтожно мала.
2.3. Движение электрона в магнитном поле в вакууме
При движении электрона в магнитном поле с начальной скоростью V0 на него действует сила Лоренца (рис. 2.6):
e |
B_ |
S |
|
V0 |
|||
_ |
|||
Fл |
V |
|
|
r |
|
|
N
Fл e[V0 B],
где B – вектор индукции магнитного поля.
Сила Лоренца действует пер-
пендикулярно векторам V0 и B. Поэтому траектория движения электрона искривляется, но не изменяется энергия электрона. Очевидно, что если V0 0, то сила
Рис. 2.6. Движение электрона в вакууме |
также равна нулю. |
||||||
между полюсами магнита |
Определим радиус окружности |
||||||
|
|
|
r, по которой будет двигаться |
||||
электрон, если поле |
|
однородно, |
полагая, что |
|
перпендикулярен |
|
. |
B |
V0 |
B |
|||||
В этом случае сила Лоренца постоянна по величине:
FлeV0B,
направлена по радиусу к центру окружности (см. рис. 2.6). При искривлении траектории движения электрона возникает центробежная сила
Fц meV02 
r.
10