Физические основы полупроводниковых приборов
Nbsp; Министерство аграрной политики и продовольствия Украины Государственное агентство рыбного хозяйства Украины Керченский государственный морской технологический университет Кафедра «Электрооборудование судов и автоматизация производства»
ЭЛЕКТРОНИКА
И микросхемотехника
Конспект лекций
для студентов направления 6070104 «Морской и речной транспорт»
специальности
«Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»,
направления 6.050702 «Электромеханика» специальности
«Электрические системы и комплексы транспортных средств»,
«Электромеханические системы автоматизации и электропривод»
дневной и заочной форм обучения
Керчь, 2012 г.
УДК 621.38:004.31
Авторы:Голиков С. П., к.т.н., доцент кафедры «Электрооборудование судов и автоматизация производства» (ЭСиАП) Керченского государственного морского технологического университета (КГМТУ), Жиленков А.А., ст. преподаватель кафедры ЭСиАП КГМТУ.
Рецензенты: Дворак Н.М., к.т.н., доцент,
Гильдебрандт А.И., к.в.н., доцент, директор КУНКЦ ХГТУ.
Конспект лекций рассмотрен и одобрен на заседании
кафедры ЭСиАП КМТИ, протокол № 6 от 11.01.2005 г.
Конспект лекций утвержден на ученом совете КМТИ,
протокол № 5 от 27.01.2005 г.
Конспект лекций рекомендован к переутверждению
на заседании кафедры ЭСиАП КГМТУ,
протокол № 3 от 12.10.2012 г.
|
|
|
Конспект лекций переутвержден на заседании методической
комиссии МФ КГМТУ, протокол № 6 от 06.12.2012 г.
Ó Керченский государственный морской
технологический университет, 2012 г.
СОДЕРЖАНИЕ
| Введение | 6 |
| 1 ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ | 7 |
| 1.1 Резисторы | 7 |
| 1.2 Конденсаторы | 9 |
| 1.3 Катушки индуктивности | 9 |
| 1.4Трансформаторы | 9 |
| 2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ | 10 |
| 2.1 Зонная теория твердого тела | 10 |
| 2.2 Собственная электропроводность полупроводников | 12 |
| 2.3 Примесные полупроводники | 12 |
| 2.4 Полупроводниковые резисторы | 14 |
| 2.5 Электронно-дырочный переход | 15 |
| 2.5.1 Полупроводниковый р-п - переход в отсутствие внешних напряжений | 15 |
| 2.5.2 Прямое смещение р-п-перехода | 16 |
| 2.5.3 Обратное смещение р-п-перехода | 17 |
| 2.5.4 Емкость р-п-перехода | 18 |
| 3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ | 18 |
| 3.1Диоды | 18 |
| 3.1.1 Выпрямительные диоды | 20 |
| 3.1.2Импульсные диоды | 22 |
| 3.1.3 Кремниевые стабилитроны | 24 |
| 3.1.4 Варикапы | 25 |
| 3.1.5 Туннельные диоды | 26 |
| 3.1.6 Фотодиоды | 27 |
| 3.1.7 Светоизлучающие диоды | 28 |
| 3.1.8 Диоды с барьером Шоттки | 29 |
| 3.2 Транзисторы | 30 |
| 3.2.1 Униполярные (полевые) транзисторы | 31 |
| 3.2.1.1 Полевые транзисторы с р-п-переходом | 31 |
| 3.2.1.2Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОБРНТ или 31 МД11-транзисторы) | 34 |
| 3.2.2 Однопереходные транзисторы | 37 |
| 3.2.3 Биполярные транзисторы (ВТГ) | 38 |
| 3.2.3.1 Принцип действия биполярного транзистора | 39 |
| 3.2.3.2 Схемы включения транзисторов, параметры и характеристики | 42 |
| 3.2.3.3 Транзистор как активный четырехполюсник,параметры транзистора | 46 |
| 3.2.4 Биполярные транзисторы с изолированным затвором (ГСВТ) | 49 |
| 3.3 Тиристоры | 52 |
| 3.3.1 Устройство и принцип действия | 52 |
| 3.3.2 Основные параметры тиристоров | 55 |
| 3.3.3 Симистор | 56 |
| 3.3.4 Тиристоры с управляемым затвором (GТО-тиристоры) | 57 |
| 3.3.5 Динамические характеристики GТО-тиристоров | 57 |
| 4 УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ | 58 |
| 4.1 Классификация усилителей | 58 |
| 4.2 Усилительные каскады на биполярных транзисторах | 60 |
| 4.2.1 Усилительный каскад ОЭ | 61 |
| 4.2.2 Усилительный каскад ОК (эмиттерный повторитель) | 66 |
| 4.3 Усилительные каскады на полевых транзисторах | 67 |
| 4.4 Многокаскадные усилители | 69 |
| 4.5 Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя | 70 |
| 4.6 Амплитудная характеристика усилителя | 72 |
| 4.7 Усилители с обратной связью | 73 |
| 4.8 Каскады усиления мощности | 75 |
| 4.8.1 Классы усиления | 75 |
| 4.8.2 Трансформаторный усилитель мощности класса А | 77 |
| 4.8.3 Двухтактные усилительные каскады | 79 |
| 4.8.4 Бестрансформаторные усилители мощности | 82 |
| 4.9 Усилители постоянного гока | 84 |
| 5 ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ | 88 |
| 5.1 Основные параметры и характеристки | 88 |
| 5.2 Операционные схемы | 91 |
| 6 ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ | 94 |
| 6.1 Выпрямители на полупроводниковых диодах | 94 |
| 6.2 Стабилизаторы напряжения | 100 |
| 6.3 Фильтры источников электропитания | 105 |
| 7 ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА | 106 |
| 7.1 Параметры импульсных сигналов | 107 |
| 7.2 Ключевой режим работы биполярных транзисторов | 108 |
| 7.3 Статические характеристики транзисторного ключа | 108 |
| 7.4 Динамические характеристики транзисторного ключа | 111 |
| 7.5 Схемы транзисторных ключей | 112 |
| 7.6 Ключи на полевых транзисторах | 115 |
| 7.7 Усилители импульсных сигналов | 115 |
| 7.8 Генераторы импульсных сигналов | 117 |
| 7.8.1 Генераторы сигналов прямоугольной формы | 117 |
| 7.8.2 Одновибратор на биполярном транзисторе | 119 |
| 7.8.3 Магнитно-транзисторные генераторы | 120 |
| 7.9 Релейные усилители | 122 |
| 7.9.1 Триггеры | 123 |
| 8 ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ | 125 |
| 8.1 Принцип построения | 125 |
| 8.2 LС-генераторы, RС-генераторы | 126 |
| 8.3 Методы стабилизации частоты автогенераторов | 129 |
| 9 НЕЛИНЕЙНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ | 130 |
| 9.1 Компараторы | 130 |
| 9.2 Симметричный мультивибратор на ОУ | 132 |
| 9.3Ждущий мультивибратор (одновибратор) на ОУ | 133 |
| 9.4 Генераторы линейно изменяющегося напряжения | 135 |
| 10 ЛОГИЧЕСКИЕ И ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА | 137 |
| 10.1 Логические функции | 137 |
| 10.1.1 Основные логические операции и их реализация | 137 |
| 10.1.2 Составление логических функций | 139 |
| 10.1.3 Минимизация логических функций | 140 |
| 10.2 Схемотехника логических элементов | 140 |
| 10.2.1 ТТЛ-логика | 140 |
| 10.2.2 КМОП-логика | 142 |
| 10.2.3 Основные параметры логических элементов | 143 |
| 10.3 Коммутаторы цифровых и аналоговых сигналов | 144 |
| 10.4 Преобразователи уровней логических сигналов | 145 |
| 10.5 Триггеры | 146 |
| 10.6 Мультивибраторы и одновибраторы на логических элементах | 150 |
| 10.7 Цифровые счетчики импульсов | 151 |
| 10.8 Комбинационные схемы | 154 |
| 10.8.1 Регистры | 154 |
| 10.8.2 Дешифраторы | 155 |
| 10.8.3 Мультиплексоры | 158 |
| 10.9 Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) | 159 |
| 10.10 Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП АЦП) | 160 |
| СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ | 163 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
Электроникой называют отрасль науки и техники, изучающую физические основы функционирования приборов, работа которых основана на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме и газе. Такими приборами являются полупроводниковые приборы, электровакуумные и ионные приборы.
Электроника может быть условно разделена на две части: информационную электронику и силовую электронику, называемую еще преобразовательной техникой.
Информационная электроника занимается устройствами для передачи, обработки и отображения информации. Эту область электроники условно можно назвать слаботочной, так как все процессы передачи, обработки и отображения информации осуществляются на низких уровнях энергии в элементах устройств.
Силовая электроника занимается вопросами преобразования электрической энергии: энергии переменного тока в энергию постоянного тока (выпрямители), энергию постоянного тока в энергию переменного тока (инверторы), энергию переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой частоты (преобразователи частоты) и т.д. Элементы таких преобразователей подвержены большим электромагнитным нагрузкам, поэтому при проектировании большое внимание уделяется оптимизации массогабаритных показателей проектируемых устройств.
Тематический план дисциплины
| Тема | Количество часов |
| 1 Пассивные элементы электронных схем | 4 |
| 2. Физические основы полупроводниковых приборов | 4 |
| 3 Полупроводниковые приборы | 4 |
| 4 Усилительные каскады на транзисторах | 4 |
| 5 Операционный усилитель | 3 |
| 6 Источники вторичного электропитания | 3 |
| 7 Импульсные устройства | 4 |
| 8 Генераторы синусоидальных колебаний | 2 |
| 9 Нелинейный режим работы операционного усилителя | 3 |
| 10 Логические и цифровые устройства | 5 |
1 Пассивные элементы электронных схем
1.1 Резисторы
Резистор – элемент электроники, предназначенный для регулирования и распределения электрической энергии между цепями и элементами схемы.
Классификация:
1. По виду вольт-амперной характеристики различают резисторы линейные (постоянного и переменного сопротивления) и нелинейные.
2. По конструкции резисторы подразделяются на пленочные, объемные и проволочные.
3. По материалу токопроводящего элемента – на пленочные углеродистые, металлопленочные, металлоокисные, металлодиэлектрические, композиционные и полупроводниковые.
4. По способу защиты резистивного элемента – неизолированные, изолированные, компаундированные, опрессованные пластмассой, герметизированные и вакуумные.
5. По назначению – общего и специального применения.
Основные характеристики:
1. Номинальное сопротивление – значение сопротивления, которое должен иметь резистор в соответствии с нормативной документацией. Фактическое значения сопротивления каждого экземпляра может отличаться от номинального, но не более чем на величину допустимого отклонения, которое выражается в процентах.
2. Номинальная мощность – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на резисторе, при которой параметры резистора сохраняются в установленных пределах в течение длительного срока службы.
3. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) – относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 10С.
4. Электрическая прочность резистора – характеризуется предельным напряжением, при котором резистор может работать в течение срока службы без электрического пробоя.
Маркировка резисторов.
На каждом непроволочном резисторе указываются номинальное сопротивление, допустимые отклонения сопротивления от номинального значения и тип резистора.
Номинальное сопротивление резисторов устанавливаются стандартными рядами Е (табл. 1).
Таблица 1.1 - Стандартные ряды Е номинального сопротивления резисторов
| Индекс ряда | Номинальные значения | Допустимое отклонение |
| Е6 | 1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 | ±20% |
| Е12 | 1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 1,2 1,8 2,7 3,9 5,6 8,2 | ±10% ±10% |
| Е24 | 1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 1,1 1,6 2,4 3,6 5,1 7,5 1,2 1,8 2,7 3,9 5,6 8,2 1,3 2,0 3,0 4,3 6,2 9,1 | ±5% ±5% ±5% ±5% |
| 
|
|
| 
| |
| 
| |
| а) | б) | в) |
| Рисунок 1.1 -Обозначения пассивных элементов электронных схем: а) резисторы, б) конденсаторы, в) катушка индуктивности | ||
Кодированные обозначения номинального сопротивления резисторов состоят из цифры, обозначающей номинальное сопротивление, и буквы, обозначающей единицу измерения сопротивления. Сопротивления до 100 Ом выражаются в Омах и обозначаются буквой Е, сопротивления от 100 Ом до 100 кОм – в килоомах и обозначаются буквой К, а сопротивления от 100 кОм до 100 МОм – в мегаомах и обозначаются буквой М. Эти буквы ставятся на место запятой десятичной дроби, которая выражает значение сопротивления.
Резисторы постоянного сопротивления. Углеродистые резисторы (блп) – резистивный элемент этих резисторов представляет собой тонкую пленку углерода осажденную на основание из керамики.
Металлопленочные резисторы (МТ и ОМЛТ) – содержат резистивный элемент в виде очень тонкой металлической пленки, осажденной на основание из керамики или пластмассы.
Резисторы переменного сопротивления. Применяются для регулирования силы тока и напряжения. По конструктивному исполнению делятся на одинарные и сдвоенные, одно- и многооборотные, с выключателем и без него; по назначению - на подстроечные (для разовой или периодической подстройки аппаратуры, до 1000 циклов перемещения рабочей части) и регулировочные (для многократной регулировки, более 5000 циклов).
Конденсаторы
Электрический конденсатор представляет собой систему из двух проводников электрического тока (обкладок), разделенных диэлектриком и обладает свойством накапливать электрическую энергию.
Сокращенные обозначения, позволяющие определить, к какому типу относится данный конденсатор, устанавливаются ГОСТом. Они содержат три элемента. Первый элемент (одна или две буквы) обозначают группу конденсаторов: К – конденсатор постоянной емкости; КТ – конденсатор подстроечный; КП – конденсатор переменный. Второй элемент это число, обозначающее разновидность конденсаторов: 1 – вакуумный, 2- воздушный, 3 – с газообразным диэлектриком, 4 – с твердым диэлектриком, 10 – керамические до 1600 В, 15 – керамические до 1600 в и выше, 20 – кварцевые, 21 – стеклянные, 22 – стеклокерамические, 23 – стеклоэмалевые,40 – бумажные до 2кВ. Третий элемент – буква, определяющая назначение конденсатора (П – для работы в цепях постоянного тока, У - для работы в цепях постоянного, переменного токов и в импульсном режиме, И – для работы в импульсном режиме, для работы в цепях переменного тока).
Маркировка конденсаторов. Состоит из цифр, обозначающих номинальную емкость, буквы, обозначающей единицу емкости и буквы, обозначающей допустимое отклонение.
Емкости до 100 пФ выражаются в пикофарадах и обозначаются буквой П, емкости от 100 пФ до 0,1 мкФ – в нанофарадах и обозначаются буквой Н, емкости от 0,1 мкФ и выше – в микрофарадах и обозначают буквой М.
Катушки индуктивности
Катушки индуктивности, за исключением дросселей, предназначенных для использования в цепях питания, не являются комплектующими изделиями. Они изготавливаются на сборочных заводах и имеют те параметры, которые необходимы для конкретных устройств.
Дроссели предназначены для обеспечения большого сопротивления для переменных токов и малого для постоянного тока.
Трансформаторы
Это электромагнитное устройство переменного тока, предназначенное для изменения напряжения, согласования сопротивления электрических цепей, разделения цепей источника питания и нагрузки по постоянному току. Основной частью трансформатора является магнитопровод из магнитомягкого материала с размещенными на нем обмотками.
Трансформаторы, используемые в электронике, можно разделить на трансформатор питания (силовые) и согласующие (сигнальные). Трансформаторы питания применяются в выпрямительных устройствах для получения различных уровней напряжений. Согласующие трансформаторы используют для согласования входа усилителя и источника сигнала, выхода усилителя с нагрузкой.
Магнитопроводы по конструкции разделяют на броневые, стержневые и тороидальные. В броневом сердечнике обмотки располагаются на центральном стержне, что упрощает конструкцию. В стержневых – обмотки располагаются на двух стержнях.
Основные параметры трансформаторов:
1. Номинальное напряжение первичной обмотки;
2. Номинальный ток первичной обмотки;
3. Напряжение вторичной обмотки;
4. Ток вторичной обмотки;
5. Напряжение холостого хода;
6. Номинальная мощность;
7. Коэффициент трансформации;
8. Частота питания.
Вопросы для самопроверки:
1. Что такое стандартные ряды сопротивлений резисторов.
2. По каким параметрам выбираются диоды.
3. По каким основным параметрам выбираются конденсаторы.
4. Приведите основные параметры трансформаторов.
Литература [1, 2]
Физические основы полупроводниковых приборов
Зонная теория твердого тела
Полупроводниками называют вещества, занимающие по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками. Чистые полупроводники по электропроводности ближе к диэлектрикам. Особенность электропроводности полупроводников обусловлена спецификой распределения электронов атомов по энергетическим уровням.
В соответствии с принципами квантовой механики электроны атома могут находиться на определенных (разрешенных) энергетических уровнях. В изолированном атоме существует конечное число энергетических уровней, на каждом из которых могут находиться одновременно не более двух электронов, различающихся направлением спиновых моментов (принцип Паули). Электроны низших уровней сильно связаны с атомом. По мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном, эта связь ослабевает.
Вследствие взаимодействия атомов друг с другом в кристалле разрешенные уровни энергии электронов соседних атомов смещаются, образуя близко расположенные смещенные уровни энергии – подуровни. Подуровни образуют так называемые зоны разрешенных уровней энергии, которые отделены друг от друга запрещенными зонами.
На электропроводность твердого тела существенное значение оказывает расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части энергетической диаграммы (рис. 2.1, а), где В – валентная зона, все уровни которой при температуре абсолютного нуля заполнены электронами, С – зона свободных электронов (зона проводимости), на уровни которой могут переходить электроны из валентной зоны при возбуждении атома, и З – запрещенная зона, энергетические уровни в которой отсутствуют. Наличие запрещенной зоны означает, что для перехода в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию, большую, чем величина ∆W.
У металлов запрещенная зона отсутствует (∆W=0) и валентная зона непосредственно примыкает к зоне проводимости. Поэтому в металлах число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электро- и теплопроводность. У диэлектриков ширина запрещенной зоны велика (∆W>3 эВ) и при температурах ниже 400-800ºС и в отсутствие сильных электрических полей электроны проводимости практически отсутствуют.
Ширина запрещенной зоны у наиболее распространенных полупроводников – германия (Ge) и кремния (Si) – составляет соответственно 0,72 и 1,12 эВ. Эти полупроводники принадлежат к IV группе периодической таблицы элементов Менделеева и имеют четыре валентных электрона. В кристалле полупроводника соседние атомы взаимодействуют между собой, образуя парноэлектронные связи. При этом внешняя электронная оболочка каждого атома содержит восемь электронов. Такая оболочка в атомах является наиболее прочной. На рис. 2.1, а показана двумерная модель кристаллической решетки кремния, где связи, образованные валентными электронами, обозначены двойными линиями.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1709; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!