Реферат: Электроника

п / п приборы

п / п -материал ,удельная проводимость которого сильно зависит от внешних факторов –кол-ва примесей, температуры, внешнего эл.поля, излучения, свет, деформация

Достоинства: выс. надежность, большой срок службы, экономичность, дешевизна.

Недостатки : зависимость от температуры, чувствительность к ионизирован излучению.

Основы зонной теории проводимости

Согласно квантовой теории строения вещества энергия электрона может принимать только дискретные значения энергии. Он движется строго по опред орбите вокруг ядра.

Не в возбужденном состоянии при Т=0К , электроны движутся по ближаишей к ядру орбите. В твердом теле атомы ближе друг к другуÞ электронное облако перекрываетсяÞ смещение энергетических уровнейÞ образуются целые зоны уровней.

Е

Разрешенная

Запрещенная зона

d

1)Разрешенная зона кт при Т=0К заполненная электронами наз – заполненной.

2)верхняя заполненная зона наз – валентной.

3)разрешенная зона при Т=0К где нет электронов наз – свободной.

4)свободная зона где могут находиться возмущенные электроны наз зоной эквивалентности.

Проводимость зависит от ширины запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости.

êЕ=Епр-Ев

Ширина запрещенной зоны в пределах 0,1~3,0 эВ (электрон вольт) характерна для п/п

Наибольшее распространение имеют П/П

Кремний, Германий, Селен и др.

Рассмотрим кристалл «Ge»

При Т=0К

При Т>0К электроны (заряд -q)отрываются образуют свободные заряды Þ на его месте образуется дырка (заряд +q) это называется процессом термогенерации

Обратный процесс наз – рекомбинацией

n – электронная проводимость

p – дырочная проводимость

t - время жизни носителя заряда (е).

Вывод : таким образом nроводимость в чистом П/П обоснована свободными электронами или дырками.

d=dn+dp=qmnrn+qmprp

где: r-концентрация

m-подвижность =u/Е

Собственная проводимость сильно зависит от t°

П/П приборы на основе собственной проводимости.

Зависимость собственной проводимости от внешних факторов широко исполь-ся в целом ряде полезных П/П приборов.

1)Терморезисторы (R зависит от t° )

Температурный коэффициент:

ТКС>0 у П/П

ТКС<0 у проводников

Применяют в устройствах авт-ки в качестве измерительного преобразователя t° (датчики)

2)Варисторы (R зависит от внешнего эл. Поля)

ВАХ I=f(u)

Прим-ют для защиты

терристоров от

перенапряжения

3)Фотосопротивление – R зависит от светового потока

применяют в сигнализации, фотоаппаратуре

4)Тензорезисторы – R зависит от механич деформаций

применяют для измерения деформаций различных конструкций (датчики давления – сильфоны)

Примесная проводимость п/п.

Это проводимость обусловленна примесями:

-внедрения

-замещения

Роль примесей могут играть нарушения кристалической решетки.

-Если внедрить в кристал Ge элемент I группы сурьму Sb, тогда один из 5 валентных электронов Sb окажется свободным, тогда образуется эл. проводимость, а примесь называется донорной.

-Если внедрить элемент III группы индий I тогда 1 ковалентная связь останется останется свободной =>

Образуется легко перемещаемая дырка (дырочная проводимость), примесь называют акцепторной.

Основным носителем заряда наз. Те кт в п/п >

П/п с дырочной проводимостью наз. п/п –p типа, а с электоронной проводимостью – n типа.

Движения носителей заряда т.е. ток обуславливается 2 причинами: 1) внешнее поле – ток наз. дрейфовым. 2) разнасть концентраций – ток наз. диффузионным.

В п/п имеется 4 составляющие тока:

i=(i_n )_Д +(i_p )_Д +(i_n )_Е +(i_p )_E

Д-диффузионный Е-дрейфовый

Электрические переходы.

Называют граничный слой между 2-ми областями тела физические св-ва кт. различны.

Различают: p-n, p-p⁺ , n-n⁺ , м-п/п, q-м, q-п/п переходы прим. В п/п приборах (м-метал прим. в термопарах)

Электронно-дырочный p-n переход.

Работа всех диодов, биполярных транзисторов основана на p-n переходе

Рассмотрим слой 2^х Ge с различными типами проводимости.

р

n

Обычно переходы изготавливают несемметричными p_p >> << n_n

Если p_p >> n_n то p-область эмитерная, n- область- база

В первый момент после соединения кристаллов из-за градиента концентрации возникает диффузионный ток соновных носителей.

На границе основных носителей начнут рекомбинировать, тем самым обнажаться неподвижные ионы примесей.

Граничный слой. Будет обеднятся носителями заряда => возникнет внутреннее U. Это U будет препятствовать диффузионному току и он будет падать. С другой стороны наличие внутреннего поля обусловит появление дрейфого тока неосновных носителей. В конце концов диффузионный ток станет = дрейфовому току и суммарный ток через переход будет = 0

U _{контакта} ≈ j_т ln((Pp₀ )/(np₀ ))

j_т ≈25мB температурный потенциал при 300 К

U_к =0,6-0,7В Si;0,3-0,4В Ge.

Различают 3 режима работы p-n перехода:

1) Равновесный (внешнее поле отсутствует)

2) Прямосмещенный p-n переход.

В результате U_вн падает =>возникает диф. ток электорнов I=I₀ e^{U/m j т}

m ≈ 1 Ge

2 Si I₀ тепловой ток.

I обусловлен основными носителями зарядов. Кроме него ток неосновных носителей будет направлен встречно.: I= I ₀ (e ^{U/m j т} -1)

3)Обратно смещенный p-n переход I- обусловлен токами неосновных носителей I=- I₀

ВАХ p-n перехода

Емкости p-n переходов.

Различают: -барьерную, -диффузионную.

Барьерная имеет место при обратном смещении p-n перехода. Запирающий слой выступает как диэлектрик =>конденсатор e=f(U) Эта емкость использована в варикапах.

C ≈1/√U

Диффузионный ток имеет место при прямом смещении p-n перехода C _д = dQ _изб /dU

Реальные ВАХ p-n переходов.

Отличаются от идеальных след. образом:1)Температурная зависимость

2) Ограничения тока за счет внутреннего R базы

3)Пробой p-n перехода :1-лавинный, 2- туннельный, 3- тепловой ( 1,2- обратимые;3-необратимый) I ₀ ≈ 10 I ₀

П/п диоды.

Прибор с 1^м p-n переходом и 2^мя выходами

Квалифицируют по технологии, - по конструкции, - по функциональному назначению:

-выпрямительные, А + К

-ВЧ диоды,

стабилитроны,

-варикапы,

-светодиды,

-фотодиоды,

-тунельные,

-обращенный

Маркировка по справочнику

1)Выпрямит. диоды – предназначены для выпрямления ~ I в =

Основные параметры

Iср.пр- средний прямой,Uпр,Uобр.,P-мощность, Iпр.имп.

2)Вч диоды выполняются обычно по точечной технологии

Cд-емкость, Iпр.имп, Uпр.ср, t установления, t востановления,

3)Диод Шотки – диод на основе перехода металл ->п/п, быстродействующий. Uпр.=0,5В, ВАХ не отличается от экспоненты в диапазоне токов до 10¹⁰

4)Стабилитрон – это параметрический стабилизатор напряжения, стабилизирует напряжение от единицы до сотен вольт.Uст – обратная ветвь ВАХ; пробой лавинный

ВАХ

r=∆U/∆I

чем < тем лучше

Д814Д => U=12 В R_бал. =(E-Uст.)/(Iст.+Iн.)

Кст.=(∆Е/Е)/(∆U/Uн) ТКН – температупный коэффициент U=(∆U/U)/ ∆t≈0,0001%

5)Стабистор – предназначен для получения малых стабильных напряжений

в них исп. прямая ветвь ВАХ

КС07А U=0,7B

6 ) Варикап –параметрическая емкость, вкл. в обратном смещении. Примечание :- в системах авто –подстройки частоты в телерадио и т.д.;-получение угловой модуляции(угловой или фазовой)

7)Тунельный диод ВАХ имеет участок «-» R

Примечание: Для получения высокочастотных колебаний (генератор); пороговые утройсва – тригеры Шмита

8) Обращенный диод – это разновидность тунельного - в нем нет «-» R, - в работе используют обратную ветвь ВАХ

Биполярные транзисторы

П/п прибор с 2-мя и более переходами и с 3-мя и более выводами

Различают транзисторы проводимости:

n-p-n, p-n-p

Режимы работы БТ

1.)Отсечка – оба перехода закрыты, обратно смещены

2.)Насыщения – оба перехода смещены прямо

3.)Активный режим – эммитеры прямо, колектор обратно

4)Активно инверсный – эммитеры обратно, колектор прямо

Активный режим. Физика работы.

Iк= a Iэ+ Iко Iко-обратный ток колектора, a-коэффициент передачи тока эмитера

Схемы включения транзисторов.

1) Схема с общей базой

Iвх-Iэ

Iвых-Iк

Uвх-Uэб

Uвых-Uкб

2) Схема с общим эмитером

3) Схема с общим колектором

Каждая схема характеризуется семействами входных и выходных статических ВАХ

Iвх=f(Uвх) | Uвых-const

Iвых=f(Uвых) | Iвх-const

ВАХ транзисторов

1)ОЭ

Iк=bIб +(Uкэ/r*к)+I*к₀ b-коэффициент передачи Iб

b=a/1-a

2)ОБ

Iк=aIэ+I к₀ +(Uкб/rк) r*к=( rк/1+b) I*к₀ =I к₀ (1+b)

Малосигнальная эквивалентная схема замещения транзистора

1)ОЭ

r к≈100 Ом r э=dUбэ/dIб | Uк- const

r э=2jt/Iэ⁰ =(Si)≈50мВ/ Iэ⁰

r* к=dUкэ/dIк | Iб- const ≈100кОм

Ск*=Ск(1+b) ≈ 5-15мкФ

2)ОБ

r э=dUбэ/dIэ | Uк- const

r* к=dUкб/dIк | Iэ- const

Частотные свойства транзистора

Зависят от емкостей транзистора, межэлектородных емкостей, и от коэффициентов a и b

fср=fсрa/b – для b

h – параметры транзистора

ΔU₁ =h₁₁ ΔI₁ +h₁₂ ΔU₂

ΔI₂ =h₂₁ ΔI₁ +h₂₂ ΔU₂

h₁₁ = ΔU₁ / ΔI₁ │ΔU₂ =0 – входной сигнал

h₁₂ = ΔU₁ / ΔU₂ │=μ=0 – коэф. обр. отриц. внутр.связи

│ΔI₁ =0

h₂₁ = ΔI₂ / ΔI₁ │ ΔU₂ =0 – коэф усиления I

h₂₂ = ΔI₂ / ΔU₂ │=1/rк выходная проводимость

│ΔI₁ =0

Связь h-параметров с собственными параметрами транзистора

Полевые транзисторы (ПТ)

В ПТ используется носитель заряда одного типа. Работа ПТ основана на управлении R канала ПТ поперечным электрическим полем.

ПТ с: p-n переходом

МДМ или МОП

«+»- очень простые, высокая технологичность, большое Rвх., малая стоимость.

«-»-малая крутизна

ПТ с p-n переходом

Структура и работа.

ВАХ: выходная

rc=ΔUcч/ΔIc

Uзи=const(отсечки)

≈10-100кОм

Стокозатворная характеристика

крутизна:

S=(dIc/dUзи)

Uc=const

( МДП )-транзисторы-МОП

МОП: -с встроенным

-с индуцируемым

Структура и работа.

Работа основана на явлении изменения проводимости при поверхностном слое полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля.

ВАХ:

стокзатворная изолированный канал

Встроенный канал

cтокзатворная

r_к =1/s “+”высокое Rвх 10^12…14 Ом, высокие допустимые напряжения

Применение:цифровая схемотехника, аналоговые ключи, входные-выходные каскады усилителей мощности, управляемые R.

Терристор

П/п прибор с 3-мя и более p-n переходами, применяется для переключения токов. Различают 2-х электродные – динистор и 3-х электродные – тринистор.

Динистор: структура и работа

	p n p n

Если преложить «+» к аноду то П1-П3 смещаются прямо ->их R мало, П2 смещается обратно. По мере возрастания Uлк ширина П2 увеличивается ->и с Uак создается U пробоя ->динистор открывается. После пробоя П2 его R резко падает и внешнее Uак перераспределяется на П1и П3 ->резко возрастает напряжение, ->I тоже растет ->возникает «+» обратная связь. Чем больше открывается П2, тем больше отпирается П1 и П3,тем больше I.

Ток через динистор, когда он открыт, ограничивается внешними элементами

ВАХ

Если U на динисторе =0 тогда ток определяется отношением E/Rн

Применение: можно построить генератор.

Тринистор:

Одна из баз имеет внешний вывод- управляющий электрод.

Подавая ток через базу можно увеличивать ток через переход П3 и создовать условия для раннего отпирания тринистора -> I управл.может управлять моментом отпирания

Применяют: управляемые выпрямители, преобразователи частоты, инверторы

Пр.

Симисторы.

Элементы оптоэлектороники

Световой луч играет роль эл. сигнала =>

«+» - нет влияния электромагнитных помех

-полная эл. развязка

-широкий диапозон частот

-согласование цепей

«-» нельзя свет преобразовать в механическое движения

Основной элемент – оптрон -> пара с фотонной связью

ИС - источник света, ФП – фотоприемник.

В качестве ИС : лампы накаливания, лазеры.

В качестве ФП :фото диоды, транзисторы, резисторы

Светодиод

П.П прибор с одним p-n переходом свечение которого вызывается рекомбинацией носителя заряда при прямом смещении

В- яркость (канд/м² )

«+» - Широкий линейный участок

Фотодиод

П.П прибор с одним p-n переходом ВАХ которого изменяется под действием светового потока. Освещение п/п увеличивает концентрацию неосновных носителей заряда,увеличивает обратный ток

Различают 2 режима работы:

а)генераторный

б)фотодиодный

Iф-фототок Iобщ=Iф-Iт (e^{-U/m j T} -1)

Фототранзистор.

Могут работать с заданным смещением и с плавающей рабочей точкой

Работа: свет попадает в базу, образуются электрончики которые уменьшают барьер эмитерного перехода и увеличивают диффузионный ток транзистора.

ВАХ

Электронные усилители

Это наиболее распространенные устройства в электротехнике. В общем смысле усилитель есть преобразователь энергии источника питания в энергию сигнала нагрузки, под действием входного управляющего сигнала, у которого значительно меньше энергии. Материальной моделью усилителя является его дифференциальное уравнение.

Усилитель-нелинейный элемент однако в линейных усилителях нелинейность мала и поэтому нелинейные дифференциальные уравнения линеаризируют =>получая комплексный коэффициент передачи усилителя:

К(jω)=ΔUвх(jω)/ΔUвх(jω)

АЧХ-│К(jω)│ ФЧХ-argК(jω)

Модель усилителя:

e=KххU₁

1)Kхх-комплексное число усиления

К₀ модуль коэффициента усиления

2)Zвх- сопротивление U₁ /I₁

3)Zвых- сопротивление Uxх/Iкз

Класификация.

1) По входному и выходному сигналу(I,U,P)

2) По роду сигнала:переменные, постоянные, импульсные

3) По принципу связи между каскадами:с емкостной, трансформаторной, оптической и др.

Искажение усилительных устройств

Важным показателем усилителей является точность вопроизведения на выходе входного сигнала. Всякое отклонение является искажением Uвых=kUвх

Искажения бывают линейные нелинейные и переходные. Линейные возникают из-за частотной зависимости К_усил.

Частотные

Мн=К₀ /Кн Мн(Дб)=20lg(К₀ /Кн) Мв= К₀ /Кв

Фазовые искажения

Появление дополнительного фазового сдвига между Uвх и Uвых

Переходные искажения считают всякое отличие от переходной характеристики h(1) усилительного устройства от функции единичного скачка

Нелинейные искажения объясняются наличием нелинейных элементов(все п/п элементы, катушки, конденсаторы)

В результате спектр выходного сигнала обогащается высшими гармониками и получаются нелинейные искажения.

Рассмотрим амплитудную характеристику усилителя

1)Коэфициент нелинейного искажения (КНИ)

2)Коэффициент гармонических искажений

Кг=Um₃ /Um₁

3)Шумы усилителя, дрейф нуля.(шумы тепловые, дротовые, фригерные)

Обратная связь усилительных устройств .

Современные усилители обладают значительными разбросами параметров, нелинейностью, температурной нестабильностью.Наиболее эффективный способ уменьшения этих факторов есть введение глубокой отрицательной обратной связи (входное напряжение формируется как результат вычитания входного напряжения и части выходного сигнала, причем так чтоб свести отличия к минимуму). Тем самым компесируется влияние всех факторов приводящих к отличию от входного сигнала: частотные искажения и нестабильность параметров усиления

Различают обратные связи по постояному и переменному току, положительные и отрицательные.

Разновидности ОС

ОС различают по способу получения сигнала:

1)ОС по напряжению

2)ОС по току

3)Комбинированные

По способу введения сигнала ОС

1)Последовательная ОС

2)Паралельная ОС

3) Комбинированные

Влияние ОС на характеристики усилителей

γ=U₁ /e_c ½U2=0

b=U₁ /U₂ ½ e_c =0 U₂ =KU1

Koc=U₂ / e_c =KU₁ / e_c

U₁ = e_c γ +bU₂ = e_c γ +bKU₁

U₁ =( e_c γ /1-Kb)

Koc=(K γ /1-K b )=K γ /F=K γ /(1-T)

F- глубина ОС (½F½<1 - ПОС, ½F½>1 - OОС)

T- петлевое усиление (по петле ОС)

ООС усилителя уменьшает К в F(глубину) раз

ООС усилителя уменьшает нестабильность параметров усилителя в F(глубину) раз

ООС усилителя уменьшает частотные и фазовые искажения в F(глубину) раз

Кос=(-γК/1+Kb)= -γ/((1/k)+b)»-γ/b (так как на входе «-»)

γ=R₂ /(R₁ +R₂ ) b= R₁ /(R₁ +R₂ ) Kос= -(R₂ /R₁ )

Нелинейные искажения усилителя уменьшаются в F(глубину) раз

Кгn.оос=Кгn/Fn

Влияние ООС на входное сопротивление усилителя .

Если ООС последовательная,то Rвхос=Rвх(1+Кххb)+R_b »RвхF

Rвх увеличивается в глубину раз.

Если ООС параллельная то Rвхос»Rвх||(R_b /F)» R_b /F

Rвх уменьшается в глубину раз.

Влияние ООС на выходное сопротивление

Если ООС по напряжению то Rвыхос =Rвых/F

Если ООС по току Rвыхос =Rвых+RосF

Основные функционыльные элементы УУ

1)Элементы задания режима покоя . Педназначены для задания рабочей точки. Рабочая точка характеризуется: рабочими токами и напряжениями.

Iб, Uбэ, Uкэ, Iко

В качестве элементов обычно используются резисторы, реже диоды, стабилитроны, ИП

2)Элементы стабилизации режима покоя

Введение последовательной ООС по току

Uвх=Uбэ+Uэ

Uбэ= Uвх-Uэ

Uэ=Uос

Введение параллельной ООС по напряжению

3)Элементы связи УУ

-Гальваническая –Емкостная -Индуктивная

-Оптическая

Выбор режима работы транзистора в УУ и его работа

С1-разделительный

R1 R2-базовый делитель(для задания U на базе)

Uэ-Uос (для термостабилизации)

Сэ-для устранения ОС по ~ I

Rк-для снятия вых U

Характеристики RC цепей

Дифференцирующая цепь Интегрируюшая цепь

К(jω)=U2(jω)/U1(jω)

АЧХ=½К(jω)½ ½Z½=Ö(a² +b² )

ФЧХ=argК(jω) argZ=arctg(b/a)

Xc=1/ jωc

K(jω)=Z₂ /(Z₁ +Z₂ )=R/(R+(1/ jωc))=RjωC/(Rjωc+1)=

+=ωt/jωt+1=½ К(jω)½= ωt/Ö1+( ωt)²

argК(jω)=arctg∞= arctg(jω)= π/2- arctg(ωt)

АЧХ

1 1

ФЧХ -p/2

p/2

Интегрирующая

К(jω)=Z₂ /(Z₁ +Z₂ )=(1/jωc)/(R+1/(jωc)=1/(Rjωc+1)=

=1/(jω t+1)

К(jω)=1/√(1+( ω t)² )

arctg K(jω)=arctg0-arctg ω t= - arctg ω t