 |
Полупроводниковые материалы
|
|
|
|
Оглавление
1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ……………………………………5
1.1. Полупроводниковые приборы…………………………...............………….5
1.1.1. Общие сведения………………………......…………….................……..…...5
1.1.2. Полупроводниковые материалы……………………..................…………...6
1.1.3. Р-n-переход и его свойства………….………………................………..…...8
1.1.4. Полупроводниковые диоды………………………..................…………….12
1.1.5. Биполярные транзисторы………………………….................................…..19
1.1.6. Полевые транзисторы………………………………….................……..…..25
1.1.7. Тиристоры………………………………………..…….................………….29
1.2. Интегральные микросхемы……………………...…………………...…….30
1.3. Система обозначений полупроводниковых приборов и интегральных микросхем ……………………………………............…….....................................32
2. ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ…………………………..34
2.1. Усилительные устройства..............................................................................34
2.1.1. Классификация усилителей............................................................................34
2.1.2. Параметры и характеристики усилителей....................................................35
2.1.3. Принцип работы усилителя...........................................................................38
2.1.4. Усилители напряжения с общим эмиттером
(Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой)......................................39
2.1.5. Эмиттерный повторитель..............................................................................45
2.1.6. Усилительный каскад на полевом транзисторе..........................................46
2.1.7. Истоковый повторитель................................................................................48
2.1.8. Усилители мощности.....................................................................................49
2.1.9. Многокаскадные усилители.........................................................................51
2.1.10. Усилитель постоянного тока......................................................................53
|
|
|
2.1.11. Обратные связи в усилителях......................................................................56
2.1.12. Операционный усилитель...........................................................................57
2.1.13. Избирательный усилитель………………………………………………...59
2.2. Генераторы электрических сигналов..........................................................60
2.3. Источники питания электронных устройств.............................................63
2. 3.1. Однополупериодный выпрямитель...............................................................64
2.3.2. Мостовая схема выпрямителя........................................................................65
2.3.3. Сглаживающие фильтры................................................................................66
2.3.4. Внешняя характеристика выпрямителя........................................................68
2.3.5. Стабилизаторы напряжения...........................................................................68
3. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ………………………………70
3.1. Общие сведения………………………………………………………………70
3.2. Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов……………………………………………………………………………78
3.3. Импульсный режим работы операционных усилителей……………….78
3.4. Логические элементы, серии цифровых интегральных микросхем…..82
3.5. Триггеры………………………………………………………………………91
3.6. Счетчики импульсов………………………………………………………...93
3.7. Регистры, дешифраторы, мультиплексоры………………………………95
3.8. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП)………………………………………………………………………………..98
3.9. Основные сведения о микропроцессорах………………………………..102
4.ОСНОВЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ……………………………….107
4.1. Общие сведения и основные понятия …………………………………...107
4.2. Характеристики измерительных приборов……………………………..108
4.3. Системы электроизмерительных приборов…………………………….109
4.4. Условные обозначения на шкале приборов…………………………….114
4.5. Метод построения амперметров и вольтметров непосредственной оценки…………………………………….………………………………………116
|
|
|
4.6. Электронные приборы непосредственной оценки……………………..118
4.7. Измерение мощности в цепях постоянного тока и активной мощности в цепях переменного тока………………………………………………………121
4.8. Методы построения приборов сравнения (компенсация)…………….124
4.9. Измерение параметров электрических цепей…………………………..128
4.10. Измерения электрических величин цифровыми приборами……….129
4.11. Электронно-лучевой осциллограф……………………………………...132
Список рекомендуемой литературы…………………………………………..133
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ
Полупроводниковые приборы
Общие сведения
Электроника - область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, принципы построения и свойства устройств с их использованием.
В своем развитии электроника прошла несколько этапов. Первое электронное устройства (конец 
века) выполнялись на электровакуумных приборах (электронных лампах). С середины 
века широкое применение нашли полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры), изготовляемые как отдельные, самостоятельные элементы, из которых собирались электронные устройства. В последнюю четверть века основой многих электронных устройств стали интегральные микросхемы, представляющие пластинку полупроводника с размещенными на ней множеством транзисторов и других элементов электрических цепей. Со времени их изобретения (США, 1959г.) интегральные микросхемы постоянно совершенствуются и усложняются. В современных сверхбольших интегральных схемах счет уже идет на десятки миллионов транзисторов и других элементов.
В настоящее время для решения тех или иных задач (преобразования вида энергии, усиление сигналов, генерирование мощных излучений, управление электродвигателями, обработки цифровой информации, и ее отображение и т. п.) используются все виды электронных приборов, но явное преимущество сохраняется за полупроводниковыми приборами и микросхемами.
Элементарная база электроники включает в себя пассивные (не преобразующие электрическую энергию) и активные ( преобразующие электрическую энергию) элементы.
|
|
|
К пассивным элементам относятся сопротивления (R), емкости (C) и индуктивности(L). Реальные компоненты отражающие свойства R, C и L - резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности могут существенно отличаться от их идеальных моделей. Эти отличия зависят от технологии, материала и условий эксплуатации.
Резисторы, помимо активного сопротивления, обладают ощутимой на высоких частотах проходной емкостью, включенной параллельно активному сопротивлению и составляющей от сотых долей до единиц пикофарад. Лакопленочные и иные резисторы, в которых используются сплошные слои проводящего материала, почти не имеют собственной индуктивности, и ею можно пренебречь вплоть до частот в сотни мегагерц, но между их проводящим слоем и другими частями схемы образуются паразитные конденсаторы с емкостями до несколько пикофарад. Как правило, эти емкости больше, чем проходные. Другой недостаток резисторов этих типов - сильная зависимость активного сопротивления от времени, температуры и влажности. Обычно сопротивление резисторов не выходят из пределов, оговоренных в технических условиях, но нельзя применить их в устройствах, рассчитанных на меньшие отклонения.
Проволочные резисторы обладают значительно большей температурой и временной стабильностью, но у них большие паразитные емкости и значительны паразитные индуктивности. В цепях, где точность и стабильность активных элементов имеет решающее значение, проволочные резисторы незаменимы.
Реальные конденсаторы еще больше отличаются от идеала, чем резисторы. Прежде всего, у них есть сопротивление утечки, шунтирующее емкость. Для высококачественных конденсаторов (например, слюдяных, фторопластовых, керамических и т.п.) собственные утечки составляют при малой влажности и нормальной температуре гигаомы (1 ГОм = 10 
Ом) и в большей мере зависят от состояния поверхности корпуса или монтажной платы, чем от диэлектрика. Конденсаты с большими емкостями, например электролитические, имеют сопротивление утечки в сотни, иногда - десятки килоом, но зато могут иметь емкости до десятков и сотен тысяч мкФ. Промежуточное положение занимают бумажные и пленочные конденсаторы.
|
|
|
Катушки индуктивности, не имеющие ферромагнитных сердечников, могут быть достаточно близки к идеальной индуктивности, но даже в них сопротивление провода играет роль. В дросселях с сердечниками нелинейность последних приводит к тому, что отличия от идеальной индуктивности оказываются очень существенными. Другая особенность, вносимая сердечниками, - потери энергии на их перемагничивание и на вихревые токи Фуко в них. Эта энергия в конечном счете обращается в тепловую и ведет к нагреву сердечника. Последнее обстоятельство во много определяет КПД и качество трансформаторов.
Полупроводниковые материалы
Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками.
По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное электрическое сопротивление полупроводников при комнатной температуре лежит в пределах 10 
-10 
Ом 
см. В качестве полупроводниковых веществ используется кремний (Si), германий(Ge) (элементы IV группы периодической системы Менделеева), а также селен, арсенид галлия, фосфид галлия, и др.
Особенностью полупроводников отличительной от металлов и диэлектриков является их способность в широких пределах менять свою проводимость при изменении внешних энергетических воздействиях (температуры, света, электромагнитного поля, механических деформаций и т.д.).
Электропроводимость чистых однородных полупроводников при температуре, отличной от абсолютного нуля, обусловлена по- парным образованием (генерацией) свободных носителей заряда - электронов и дырок.
При сообщении полупроводнику определенной энергии один из электронов вырывает из узла связи кристаллической решетки и становится свободным, а освободившееся в узле решетки место приобретает положительный заряд, равный заряду электрона. Это вакантное для электронов место кристаллической решетки получило название дырки. Наряду с генерацией носителей заряда при их хаотичном движении происходит процесс рекомбинации - воссоединение (исчезновение) пары носителей заряда при встрече свободного электрона с дыркой. Устанавливается динамическое равновесие между количеством возникающих и исчезающих пар, и при неизменной температуре общее количество свободных носителей заряда остается постоянным.
При приложении к проводнику внешнего электрического поля движение свободных зарядов упорядочивается, электроны и дырки движутся во взаимно противоположных направлениях вдоль силовой линии электрического поля. Электропроводность чистого проводника называется собственной.
|
|
|
При обычных температурах количество свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике невелико и составляет 10 
-10 
в 1 см 
вещества. Такой полупроводник по своим электрическим свойствам приближается к диэлектрикам.
Электрические свойства полупроводников существенно изменяются при введении в них определенных примесей. В качестве примесей используются элементы III и V групп периодической системы Менделеева. Введение, например, в кремний (элемент IV группы) в качестве примеси атомов мышьяка (элемент V группы) создает избыток свободных электронов за счет пятого валентного электрона на внешней оболочке атомов примеси. Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника значительно уменьшается, в нем будет преобладать электронная электропроводность, а сам полупроводник называется полупроводником n-типа. Носители заряда, концентрация которых выше (в данном случае это электроны), называется основными носителями, а с меньшей концентрацией (дырки) - неосновными.
Введение атомов примеси III группы (например, индия) создает дырочную электропроводность, в результате чего образуется полупроводник p-типа, здесь дырки - основные носители заряда, а электроны - неосновные. Примеси элементов V группы называют донорными, а примеси элементов III группы - акцепторными.
На практике важное значение имеет область на границе соприкосновения двух полупроводников p- и n-типа. Эта область называется электронно-дырочным переходом, или p-n-переходом. Такой p-n-переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной примеси. Например, при введении донорной примеси в определенную часть полупроводника p-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, граничащая с полупроводником p-типа.
На основе использования полупроводниковых материалов с различным типом электропроводности создают полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры и другие приборы. В частности, из полупроводника, равномерно легированного примесями, изготовляют полупроводниковые резисторы. В зависимости от типа примесей и конструкции получаются линейные резисторы, сопротивление которых остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов, либо резисторы, сопротивление которых зависит от таких управляющих параметров, как напряжение (варисторы), температура (терморезисторы), освещенность (фоторезисторы), механические деформации (тензорезисторы), магнитное поле(магниторезисторы) и др.
Основными материалами при производстве полупроводниковых приборов являются кремний и германий. Из-за различий по физическим свойствам этих материалов, приборы изготовление на основе Si, более стойкие к воздействию к изменению внешней температуры, но обладают меньшем быстродействием. Приборы на основе Ge, более чувствительны к изменению внешней температуры, но обладают большим быстродействием.
|
|
|
