Предельные эксплуатационные параметры
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
по дисциплине
«Физические основы электроники.
Составитель:Заневский Э.С. к.т.н. проф.
Приведены методические указания по самостоятельному изучению дисциплины «ФОЭ», контрольные задания и методические указания по выполнению контрольных заданий, и рекомендации по его выполнению. Предназначено для студентов заочного отделения.
Рецензент: Г.В. Кропачев, к.т.н., доцент
Издание стереотипное. Утверждено на заседании кафедры
УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
В дисциплине "ФОЭ" студенты знакомятся с исключительно важной и интересной отраслью современной техники - электроникой, представленной на современном этапе, в основном микроэлектроникой (для некоторых специальностей этот курс называется промышленной электроникой, электронными элементами автоматики и др.) Электроника играет огромную роль во всех областях человеческой деятельности. Особенно велика ее роль в техническом прогрессе. Круг вопросов, связанных с электроникой, весьма обширен и сложен. В курсе рассматривается лишь часть вопросов, таких, как физические основы действия и характеристики электронных полупроводниковых приборов, как дискретных, так и микроэлектронных; схемы и принцип работы распространенных, несложных электронных устройств, на базе которых создаются более сложные устройства различных управляющих и вычислительных систем.
|
|
Следует иметь в виду, что при самостоятельном изучении электроники студенты встречают ряд трудностей, связанных с появлением в ходе изучения новых понятий и явлений. Для успешного изучения дисциплины электроники необходимы знания основ электротехники (ТОЭ) и физики и достаточная настойчивость и систематичность при изучении. Для студентов читаются установочные лекции, в которых даются более подробные указания и уточнения по изучению дисциплины. На примерах раскрывается содержание некоторых (ключевых) тем, их глубина и порядок изучения. Для удобства изучения материал дисциплины разбит на небольшие темы, а в каждой теме выделены более мелкие вопросы, являющиеся ключевыми в данной теме, на которые следует обратить внимание при изучении.
В процессе изучения нужно выполнить контрольные задания, приведенные в конце указаний. После выполнения контрольных заданий студенты выполняют лабораторные работы в лаборатории электроники кафедры автоматики и телемеханики (лаб. 330, корпус А, комплекс) под руководством преподавателя. После получения зачетов по контрольным заданиям и по лабораторным работам (по лабораторным работам студенты сдают отчеты индивидуально) студенты допускаются к сдаче экзамена и зачета.
|
|
Распределение объемов учебных занятий по дисциплине приведено в табл. 1.
Таблица 1
Занятия, часов | |||||||
Дисциплина | Семестр | Лекции | Лабор. работы | Практич. занятия | Самост. работа | Выполнение контр.раб. | Контроль |
ФОЭ | 5 | 10 | 16 | 8 | 168 | Контр. раб. | Экзамен |
Основной формой изучения дисциплины является самостоятельная работа с использованием рекомендованной литературы. Можно использовать другую учебную литературу по электронике (не приведенную в списке), предназначенную для вузов или для радиотехнических и электротехнических техникумов. Литература для радиолюбителей и неэлектротехнических учебных заведений не годится.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1.И.П Степаненко Основы микроэлектроники.-М. Сов. Радио 1980..
2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.
3. Бобров И.И. Физические основы электроники: Учебное пособие / Пермь: ПГТУ, 2002.
4. Заневский Э.С.Физические основы и элементная база электроники.
|
|
ПГТУ Пермь 2004.
Дополнительная
5. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977.
6. Пасынков В.В.и др. Полупроводниковые приборы. В.Ш. 1973.
7. Бобров И.И. Кропачев Г.В. ФОМ ч1и ч.2 ПГТУ 1995.
Перечень тем
1. Введение.
2. Полупроводники.
3. Электронно-дырочные переходы. Диоды.
4. Биполярные транзисторы.
5. Полевые транзисторы.
6. Тиристоры.
7. Фотополупроводниковые приборы.
СОДЕРЖАНИЕ ТЕМ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ИХ ИЗУЧЕНИЮ
При изучении дисциплины электроники следует пользоваться, как правило, основной литературой. В ней наиболее доступно и кратко изложены основные вопросы программы дисциплины электроники. В дополнительной литературе эти же вопросы изложены более полно и строго, с использованием математического аппарата, как в области дискретной электроники [4], так и в области цифровой техники [5]. Работы [6,7] могут облегчить выполнение контрольных работ.
Для каждой части темы указаны источники литературы с указанием глав и параграфов, например, [2, гл.3, §4,6]. Первым всегда указан тот источник, который наиболее полно соответствует программе.
1. Введение.
|
|
Роль электроники. Особые свойства электронных приборов. Развитие электроники. Дискретные полупроводниковые приборы. Интегральные схемы.
Литература: [1,2,3,4,5].
2. Полупроводники.
Темы 2, 3, 4 частично изучаются в курсах физики и ТОЭ как материал для иллюстрации различных закономерностей постоянного и переменного тока. Однако, для изучения электроники и соотношений, уточнение и приведение полученных ранее сведений в соответствии с требованиями электроники, особенно микроэлектроники.
Общая характеристика полупроводниковых материалов. Собственные полупроводники - кристаллическая структура, зонные диаграммы. Концентрации собственных носителей , зависимость от температуры. Примесные полупроводники n-типа (электронные) и р-типа (дырочные) - кристаллическая структура, зонные диаграммы. Концентрации основных и неосновных носителей, зависимость их от температуры.
Прохождение тока через полупроводники: электронная и дырочная, дрейфовая и диффузионная составляющие полного тока в полупроводнике.
Литература: [1, §1.1; 6, гл.1], [8].
3. Электронно-дырочные переходы. Диоды.
Образование и равновесие электронно-дырочного перехода (р-n-перехода) в кристалле с резкой границей между зонами с разным типом проводимости (между р- и n-зонами). Токи в p-n-переходе в равновесии (тепловой и диффузионный). Смещение p-n-перехода внешним напряжением. Прямое и обратное направление. Эквивалент ключа.
Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода (теоретическая).
Диоды. Устройство и принцип действия. Сопоставление с p-n-переходом. ВАХ диода теоретическая и реальная Различия реальной и теоретической ВАХ. Пробой p-n-перехода (диода). Параметры диода.
Разновидности диодов: выпрямительные диоды (силовые, средней и малой мощности), кремниевые стабилитроны, импульсные диоды, туннельные и обращенные диоды. Дополнительные параметры, характеризующие различные группы диодов (например, стабилитронов, импульсных диодов и др.).
Литература: [1, §1,2], [3], [2, §2.3 ¸ 2.6], [6, гл. 2,3], [8].
4. Биполярные транзисторы.
Этот раздел является ключевым для всего курса электроники, поэтому проработать (изучить) его следует особенно внимательно.
Биполярный бездрейфовый транзистор p-n-p и n-p-n-типа. Устройство и принцип действия p-n-p-транзистора. Потенциальная диаграмма. Потоки носителей в эмиттерном и коллекторном р-n-переходах и в базе. Управление током коллекторного перехода. Коэффициент передачи тока a. Связь величины a с толщиной базы W и со средней длиной диффузии Lp дырок в n-области (базе). Транзистор n-p-n-типа и его отличия от р-n-p-транзистора.
Три схемы включения транзистора в электрической цепи: ОБ, ОЭ, ОК и краткая их характеристика.
Статические характеристики транзистора - выходные (коллекторные) и входные (эмиттерные) для схем ОБ и ОЭ. Предельные режимы по постоянному току.
Литература: [1, § 1.3], [3], [2, § 2.7], [6, § 4.1 ¸ 4.3], [8].
Режим малого сигнала (малых приращений DI , DU). Внутренние малосигнальные параметры транзистора: rэ, rб, a(b), rk(rk*), Ck(Ck*). Т-образная эквивалентная малосигнальная схема транзистора ОБ и ОЭ с использованием внутренних малосигнальных параметров. Зависимость внутренних малосигнальных параметров от режима (Ik, Uk) и от температуры.
Литература: [1, § 1.3], [3], [2, § 2.7], [6, § 4.4 ¸ 4.7], [8].
Четырехполюсниковые малосигнальные параметры - h-параметры транзистора. Эквивалентная схема транзистора с использованием h-параметров (малосигнальная). Достоинства и недостатки h-параметров. Связь h-параметров с внутренними малосигнальными параметрами. Определение h-параметров по статическим характеристикам транзистора.
Литература: [1, § 1.3], [3], [2, § 2.7], [6, §4.8], [8].
Частотные свойства транзистора (инерционность). Время прохождения (пролета) базы инжектированными носителями ta. Зависимость коэффициента передачи тока a от частоты. Барьерная емкость Ск. Граничная частота fa.
Дрейфовый транзистор и его частотные свойства. Наличие электрического поля в базе и его роль. Время пролета ta дрейфового транзистора и влияние электрического поля в базе на это время. Сопоставление частотных свойств (инерционности) дрейфового и бездрейфового транзисторов.
Литература: [1, § 1.3], [3], [2, § 2.7], [6, § 4.12], [8].
5. Полевые транзисторы.
Особенности полевых транзисторов. Управление выходным током при помощи электрического поля. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (унитрон). Устройство и принцип действия. Режим обеднения. Статические характеристики: стоковые (выходные) и стоково-затворные (передаточные).
МОП-транзисторы. Структура и особенности МОП-транзисторов.
МОП-транзисторы со встроенным каналом n-типа. Устройство и принцип действия. Режимы обогащения и обеднения. Статические характеристики: стоковые и стоково-затворные.
МОП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа. Устройство и принцип действия. Режим обеднения. Статические характеристики: стоковые и стоково-затворные.
Параметры полевых транзисторов. Малосигнальная эквивалентная схема.
Литература: [1, § 1.4], [3], [2, § 2.10], [6, § 5.4-5.5], [8].
6. Тиристоры.
Общая характеристика тиристоров (структура, назначение, роль). Устройство и принцип действия тиристора. Схема включения тиристора в электрическую цепь. Вольтамперная характеристика (ВАХ). Состояния "включено", "выключено". Эквивалент ключа. Процессы включения и выключения тиристора. Параметры. Разновидности тиристоров.
Литература: [1, § 1.5], [3], [2, §2.9], [6, §5.3], [8].
7. Фотополупроводниковые приборы.
Общая характеристика фотоприборов.Устройство, принцип действия, ВАХ ,схемы включения фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров
Литература: ( 4.Лекция№14)
Контрольное задание.
Задача № 1. Построить идеальную вольтамперную характеристику (ВАХ) кремниевого p-n-перехода для нормальной температуры и температуры 80 °С. Значение I0 при нормальной температуре выбрать из табл.1. Предельные значения прямого тока Iпр = 0,1 А, обратного напряжения Uобр = 10 В. Определить прямое сопротивление (Rпр), статическое и дифференциальное в двух точках I ¢пр и I ²пр для ВАХ при нормальной температуре. Рассчитать высоту потенциального барьера (Dj), ширину обедненной зоны (l) и барьерную емкость (Сб) в равновесном состоянии и при обратном напряжении Uобр, если nn = Nб (значение взять из табл. 1), а np = = 2×1012 см-3.
Таблица 1
№ варианта | I0, А | I ¢пр, А | I ²пр, А | Uобр, В | Nб = nn, 1/см3 |
1 | 10-6 | 0,1 | 0,02 | 10 | 2×1014 |
2 | 10-7 | 0,09 | 0,015 | 9 | 2,5×1014 |
3 | 10-8 | 0,08 | 0,01 | 8 | 3×1014 |
4 | 10-9 | 0,07 | 0,03 | 7 | 3,5×1014 |
5 | 10-10 | 0,06 | 0,02 | 6 | 4×1014 |
6 | 10-11 | 0,05 | 0,01 | 5 | 4,5×1014 |
7 | 10-12 | 0,04 | 0,08 | 4 | 5×1014 |
8 | 10-13 | 0,03 | 0,09 | 3 | 5,5×1014 |
9 | 10-14 | 0,02 | 0,1 | 2 | 6×1014 |
Задача № 2. Выбрать по справочнику плоскостной выпрямительный диод. Выписать его электрические и предельно-эксплуатационные параметры. По справочным данным рассчитать прямое и обратное сопротивление диода.
Задача № 3. По справочнику выбрать транзистор малой мощности, у которого приведены статические ВАХ. Выписать электрические и предельно-эксплуатационные данные. Графическим путем определить h-параметры.
Пример решения задачи № 1
Как известно из теории p-n-перехода, идеальная ВАХ описывается следующим уравнением или . Для построения прямой ветви U берется со знаком (+), а обратной – со знаком (-).
Заготовим таблицу для построения ВАХ. Зададимся количеством точек в прямой и обратной ветви в пределах от 6 до 10. Так как предельное значение прямого тока 0,1 А, то «шаг» будет равен 10 мА, а обратное напряжение равно 10 В, то «шаг» будет равен 1 В.
Прямая ветвь
Iпр, мА | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
Uпр, В |
Обратная ветвь
Iобр, мА | ||||||||||
Uобр, В | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
По полученным данным строим ВАХ и в указанных точках I ¢пр и I ²пр находим
; ;
; .
и берется произвольно вблизи точки I ¢пр и I ²пр.
Определим высоту потенциального барьера в равновесном состоянии
.
Высота потенциального барьера в неравновесном состоянии
.
Ширина обедненного слоя в равновесном состоянии
.
Значения величин , , берутся в справочных данных.
Ширина обедненного слоя в неравновесном состоянии
.
Барьерная емкость в равновесном состоянии
.
Барьерная емкость в неравновесном состоянии
.
Пример решения задачи № 2
Выбираем по справочнику диод Д226. Это кремниевый сплавной диод используется в выпрямителях малой мощности.
Электрические параметры
.
.
. Выписываются из справочника
.
.
Предельные эксплуатационные параметры
.
.
. Выписываются из справочника
.
.
Схема включения
; .
Пример решения задачи № 3
Выбираем по справочнику транзистор КТ312А. Это кремниевый планарный транзистор n-p-n.
Электрические параметры
.
.
. Выписываются из справочника
.
.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 44; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!