Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
9 сентября.
Тема 1. Основные понятия электроники.
Электроника – область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных средства и принципов их использования.
Электронные средства – изделия и его составные части, в основе функционирования которых принципы и явления электрического взаимодействия.
Свойства разнообразных электрических устройств определяются единством 3 составляющих:
Схемотехника базируется на законах преобразования тока и мощности в цепях, состоящих из электронных и электрических устройств. В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых устройствами. Основные факторы, вызывающие необходимость разработки на новой элементной базе: масса, габариты, надежность, стоимость, мощность.
Развитие:
Классификации приборов.
По виду физико-химических принципов и явлений: вакуумные, твердотельные (п/п), квантовые (лазеры).
По назначению: силовые (преобразуют мощность), информационные (преобразуют сигнал).
По виду входного и выходного сигналов: аналоговые (непрерывные во времени), дискретные (сигналы, существующие на ограниченных интервалах), дискретно-аналоговые.
По конструктивному исполнению: отдельные элементы, интегральные микросхемы.
Тема: электротехнические материалы в электронике.
Для изготовления приборов используются металлы, п/п, сплавы и др. Характеристика приборов зависят от материала, из которого они изготовлены.
Эл. Проводимость обусловлена электронной, ионной, электро-дырочной проводимостями. Для соединения используют медь, алюминий, сталь.
Магнитные материалы используют для изготовления магнитопроволоки, концентрирующей магнитное поле. Основная характеристика материала – зависимость индукции от напряженности поля В(Н). Различают неферромагнитные материалы с линейной характеристикой – В=ϻϻ0Н и ферримагнитные материалы с нелинейной характеристикой. Магнито-твердые материалы применяются в постоянных магнитах и запоминающих элементах вычислительных устройств.
П/п материалы используют в усилителях и преобразовательных устройствах, благодаря технологической возможности создания материалов с заданной концентрацией эл.зарядов и возможностью управления их потоками.
Тема: полупроводники.
Полупроводниковые приборы – это приборы, действие которых основано на использовании свойств веществ, занимающих по электропроводности положение между проводниками и диэлектриками. Предельное сопротивление: 10-6-108 Ом/м.
Их электрические свойства зависят от внешних условий – температура, освещенность. Особенность – повышение электропроводности при увеличении температуры, введении примесей. Например 10-5% мышьяка в германий снижают его сопротивление в 200 раз.
Основные элементы: германий, кремний, мышьяк, галлий.
Они имеют монокристаллическую структуру и кристаллическую решетку алмазного типа. Каждые атом окружен 4 атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Атомы удерживаются в узлах решетки за счет валентных электронов. Связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома, они образуют ковалентную связь. Т.о. каждый атом образует 4 ковалентные связи, и внешняя орбита полностью заполнена – имеет 8 электронов.
При близкой к абсолютному нулю температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики. При температуре больше 0 , часть электронов под действием теплового поля разрывает ковалентные связи и переходит из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне возникают незаконченные энергетические уровни, а в зоне проводимости свободные электроны. Среднее время, которое электрон находится в возбужденном состоянии (в зоне проводимости), называют временем жизни электрона. Одновременно с появление электрона в зоне проводимости, в валентной зоне возникает незаконченная связь – дырка. Она ведет себя в электрическом поле как положительный заряд, по абсолютной величине равный заряду электрона, и по массе приблизительно равен массе электрона.
В полупроводниках без примесей происходит генерация пары носителей электрон-дырка. При наличии свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Проводимость кристалла определяется количеством электронов в зоне проводимости и количеством свободных энергетических уровней в валентной зоне. Дырка в валентной зоне может быть занята электроном, который перейдет с нейтрального атома. Там где был этот электрон появится дырка и т.д. Процесс последовательного заполнения свободной связи эквивалентен движению дырки в кристалле полупроводника. Во внешнем электрическом поле дырки дрейфуют в направлении поля, а электроны в обратном направлении. Концентрация увеличивается с ростом температуры.
В полупроводнике действуют одновременно два процесса – термогенерация носителей заряда и рекомбинация эл.дырок за счет возвращения электронов из зоны проводимости. Число возникающих эл.зарядов = числу рекомбинирующих носителей. Электропроводность определяется движением электроном под действием электрического поля.
Электропроводность проводника обусловленная генерацией его носителей заряда называется собственной проводимостью.
+3
+5
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
В электрическом поле движение электронов упорядочено. Полупроводники делятся на 2 типа: n-типа и p-типа. Введение примесей существенно меняет проводимость полупроводника. Процесс введения примесей называется легирование, а полученный полупроводник – примесный. Примесный полупроводник обладает электронами и дырками с существенным преобладанием одного типа носителей. Электропроводность полупроводника обусловлена ионизацией атомов донорными или акцепторными примесями. Примеси вводятся в строго контролируемых количеством, обычно 10-4%. Полупроводники, у которых основной носитель электрон, имеют n-проводимость, примесь – донорная. При введении 3-х валентной примеси основной носитель – дырка, примесь – акцепторная.
Основные носители – те носители, концентрация которых преобладает. А подвижные носители, составляющие меньшинство – неосновные.
Носители могут протекать диффузионно и дрейфово.
Диффузионный ток – обусловлен электрическим полем. Если к полупроводнику приложить внешнее поле, то дырки будут двигаться в направлении поля, а электроны против него. Диффузионный ток обусловлен перемещением носителей заряда из области высокой концентрации в низкую.
Iобщ=Iдр п+Iдр р+Iдиф п+Iдиф р
Тема: Электронно-дырочный переход и его свойства.
Электронно-дырочный переход – это тонкий слой между двумя областями кристалла с разными типами электропроводимости: электронной и дырочной.
Технологии изготовления: сплавление, диффузия одного кристалла в другой, эпитаксия – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого.
По конструкции p-n переходы: резкий или плавный, симметричный или несимметричный и т.д.
Основное свойство p-n перехода – несимметричная электропроводность. P-n переходы используются в большинстве полупроводниковых приборов. Получение двухслойной структуры с областями p и n типа, один из слоев имеет большую концентрацию, чем другой.
Электронные процессы в p-n переходе в отсутствии внешнего напряжения.
Рассмотрим два находящихся в контакте образца германия с дырочной и электронной проводимостями. Граница раздела образцов плоская, в месте соединения контакт идеальный. Кроме основных носителей заряда существуют неосновные, которые воссоздаются путем перехода из основного состояния валентной зоны в зону проводимости. Концентрация неосновных носителей Np=10-9 см-3, Pn=1013 см-3.Из-за разности концентраций основных носителей зарядов из области высокой в область низкой концентрации.
Iдиф =Iдиф р +Iдиф п ≈Iдиф р Pp>>Nn
В результате диффузии основных носителей происходит перераспределение заряда, прилегающий к контакту слой дырочной области полупроводника возникает отрицательный пространственный заряд, ионизированный акцептор, который не скомпенсирован зарядом дырок; в электронной области возникает положительный пространственный заряд. Наличие объемного заряда – главная особенность p-n перехода.
За счет ухода основных носителей из первого слоя и их рекомбинацией в другом, возникает область объединения подвижными основными носителями заряда и обладающим высоким сопротивлением. Эта область называется запирающий слой.
Электрическое поле, возникшее внутри запирающего слоя вызывает направленное движение носителей через переход. Диффузия носителей приводит к росту электрического поля и величины перепадов потенциала (потенциального барьера). В p-n переходе при этом растет дрейфовый ток. Рост тока прекращается, когда суммарный ток равен 0.
Iдиф =-Iдр
Iа =Iдиф –Iдр =Iдиф р +Iдиф п –Iдр п –Iдр р =0
Равенство состояний тока создается установление соответствующего потенциального барьера. Высота контактной разности потенциалов зависит от соотношения концентраций носителей заряда одного знака по обе стороны перехода, а определяется:
Фо=Фт*ln(Pp/Pn)= Фт*ln(Nn/Np), Фт=k*T/q
Высота барьера зависит от температуры.
Тема: Процессы в p-n переходе при наличии внешнего напряжения.
Если двухслойный полупроводник включить в цепь и приложить к нему прямое напряжение Ua, то напряжение практически все оказывается приложенным к участку с наименьшим сопротивлением. Из-за встречного направления внутреннего и внешнего полей результирующая напряженность поля в запирающем слое снижается и высота потенциального барьера становится равной 0: Ф=Ф0-Ua.
В результате возрастает количество носителей, обладающих энергией достаточной для преодоления потенциального барьера и увеличивается диффузионный ток через переход. Дрейфовый ток, создаваемый потоками неосновных носителей заряда, подходящих из приграничных слоев к p-n переходу остается без изменения. Разность диффузионного и дрейфового токов определяют результирующий прямой ток: I=I диф -I др
Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока через переход. Потенциальный барьер измеряется долями вольта, поэтому для протекания прямого тока достаточно приложить напряжение в доли вольта. Результирующее напряжение приводит к уменьшению объемного заряда и снижению запирающего слоя.
При подключении к p-n переходу источника внешнего напряжения в обратном направлении, потенциальный барьер увеличивается на величину приложенного напряжения Uв и становится равным: Ф=Ф0+UВ.
При этом увеличивается объемный заряд в p-n переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через переход основных носителей заряда, впоследствии чего диффузионный ток уменьшается, а дрейфовый можно считать неизменным. Однако теперь он превышает диффузионный ток. Ток через переход протекает в обратном направлении.
При обратном подключении преобладающую роль имеет дрейфовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается неосновных носителями заряда. Этот ток называется обратным:
I=I др-I диф.
Величина обратного тока практически не зависит от приложенного напряжения. Для неосновных носителей потенциальный барьер отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его (явление экстракции).
Увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей тока. Основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер в связи с чем Iдиф=0. Этим объясняется отсутствие роста обратного тока при увеличении Uобр.
Составляющая дрейфового тока создается неосновными носителями. Обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда зависит от их концентрации в p и n слоях, а так же рабочей поверхности p-n перехода. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда является функцией, зависящей от температуры, обратный ток диода также зависит от температуры, поэтому его иногда называют тепловым.
Таким образом при протекании прямого тока через p-n переход из электронной области в дырочную происходит инжекция электронов, а из дырочной области инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:
Кроме диффузионного тока, прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в обратном направлении:
Полупроводник имеет емкость, которая в общем случае определяется как отношение приращения заряда к приращению падения напряжения на нем: C=dQ/dU
Емкость перехода зависит от значения полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении при переходе эта емкость называется барьерной и определяется как:
Теоретически барьерная емкость может существовать и при прямом переходе, однака она шунтируется низким дифференциальным сопротивлением. При прямом смещении значительно большее влияние оказывает дифференциальная емкость, которая зависит от значения прямого напряжения и жизни неосновных носителей:
Эта емкость не связана с током обратного смещения, но дает такой же сдвиг фазы между током и напряжения, как и обычный ток. Полная емкость: С=Сдиф+Сбар. Для обратного смещения Сдиф отсутствует. С=Сбар.
Тема: Полупроводниковый диод.
Полупроводниковый диод – это прибор, имеющий два выхода и один p-n переход.
Диоды бывают: выпрямительные, специальные.
В зависимости от величины и формы переменного напряжения, они делятся на ВЧ, НЧ, импульсные и др.
Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные.
Материалом для диодов служит кремний и оксид бария, германий применяют редко.
Силовые диоды характеризуются набором статических и динамических характеристик.
Статические параметры: падение напряжения при некотором значении прямого тока, обратный ток при некотором значении обратного напряжения, среднее значение прямого тока.
Динамические параметры – это его временные характеристики: время нарастания прямого тока – tнар, время восстановления обратного напряжения – tвос, предельная частота диода – fmax.
Tвос – основной параметр диода, характеризующий их инерционные свойства. Оно определяется переходом диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение.
Напряжение на выходе в момент времени =0 скачком приобретает положительное значение максимального напряжения. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течении времени tнар. Совместно с нарастанием тока, в диоде снижается напряжение, которое после tнар становится равным Uпр. В момент времени t1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода определяется: i=Iи≈Um/Rn
Это сохраняется до t2, когда полярность напряжения меняется. Однако заряды накопленные на границе p-n перехода какое-то время поддерживаю диод открытым, но направление тока диоде меняется на противоположное. После времени рассасывания начинается процесс выключения диода, то есть процесс восстановления его запирающих свойств.
К моменту t3, напряжение на диоде =0, и в дальнейшем приобретает отрицательное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжаентся до t4. К этому времени ток в диоде =0, а напряжение достигает –Umax. Таким образом время tвос считают от перехода напряжения через 0 до достижения тока диода нулевого значения. Процесс выключения диода не является идеальным квантилем и в определенных условиях обладает проводимостью обратного направления.
Время рассасывания:
Время восстановления обратного напряжения на диоде:
Мощность на диоде резко увеличивается при его включении и особенно при его выключении, следовательно, потери в диоде увеличиваются с повышением частоты. При работе диода при низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют, и потери в диоде снижаются.
При изменении температуры корпуса диода, меняются его параметры, что необходимо учитывать при разработке оборудования. Наиболее сильно зависят обратный ток и прямое напряжения. ТКН (температурный коэффициент напряжения) имеет отрицательное значение, так как при увеличении температуры, напряжение на диоде падает. Обратный ток имеет прямую зависимость и имеет положительный коэффициент.
Потери в выпрямительных диодах6