Конспект лекций Электронная техника. Конспект лекций по дисциплине электронная техника специальности автоматизация технологических процессов и производств
 Скачать 3.06 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ ФГОУ СПО ПРОКОПЬЕВСКИЙ ПРОМЫШЛЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА» СПЕЦИАЛЬНОСТИ «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ» Составитель – Васильев Д.Ю. ПРОКОПЬЕВСК 2011 СОДЕРЖАНИЕ Лекция 1 Вводное занятие. Физические величины. 3 Лекция 2. Полупроводниковые материалы. Физические процессы. Включение p-n перехода. Основные параметры диодов. 9 Лекция 3 Режимы работы p-n перехода. Основные параметры диодов. 12 Лекция 4 Разновидности диодов: стабилитроны, стабистор, диод Шоттки, варикап, туннельный диод, обращенный диод. 15 Лекция 5 Классификация и система обозначений 17 Лекция 6 Биполярные транзисторы. Обозначения. 20 Лекция 7 Варианты включения биполярных транзисторов. Основные характеристики. 22 Лекция 8 Полевые транзисторы. Устройство, типы, обозначения. 24 Лекция 9 Полевой транзистор с управляющим p-n переходом, режимы работы, ВАХ. 29 Лекция 10 Разновидности МДП транзисторов. Схемы включения. Применение. 32 Лекция 11Тиристоры. Типы. Устройство. 40 Лекция 12 Характеристики тиристоров 45 Лекция 13 Оптоэлектронные приборы. Общая характеристика. Излучающий диод. 47 Лекция 14 Фоторезистор, фотодиод. 49 Лекция 15 Устройства отображения информации: ППИ, ВЛИ, ГРИ 50 Лекция 16 Жидкокристаллические индикаторы. Принцип работы. 51 Лекция 17 Контрольная работа. Типы ЖКИ. 52 4 семестр. 54 Лекция 18 Устройство выпрямителей 54 Лекция 19 Основные расчетные соотношения. Способы уменьшения коэффициента пульсаций 55 Лекция 20 Инверторы 56 Лекция 21 Ёмкостные сглаживающие фильтры выпрямителей 57 Лекция 22 Индуктивные сглаживающие фильтры выпрямителей 58 Лекция 23 Параметрические стабилизаторы напряжения и тока. Компенсационные и импульсные стабилизаторы напряжения и тока 59 Лекция 24 Виды сигналов и их характеристики 60 Лекция 25 Усилительные устройства. Классификация усилителей. 61 Лекция 26 Основные характеристики усилителей (Амплитудная, АЧХ, ФЧХ, переходная) 62 Лекция 27 Обратная связь в усилителях. Классификация обратных связей. 63 Лекция 28 Усилители на биполярных транзисторах. Усилители мощности 64 Лекция 29 Операционные усилители. 65 Лекция 30 Фильтры. 66 Лекция 31 Генераторы. Виды генераторов. 67 Лекция 32 Импульсные генераторы. Мультивибратор. Одновибратор. Блокинг-генератор. 68 Лекция 33 Контрольная работа. Интегральные микросхемы. 69 Лекция 34 Реализация базовых логических функций 70 Лекция 35 Классификация и основные параметры цифровых ИС 71 Зачетное занятие. 72 Лекция 1 Вводное занятие. Физические величины.Цель обучающая:
Цель развивающая:
Цель воспитательная
Тип урока: Урок изучения нового материала и первичного закрепления Средства обучения: Вербальные: голос, речь, учебная литература, проектор. Ход урока
Что такое электроника? — Это передача, приём, обработка и хранение информации с помощью электрических зарядов. Это наука, технические приёмы, промышленность. Что касается информации, то всегда, когда было человечество, это всё было. Человеческое мышление, разговорная речь, узелки на память, сигнальные костры, семафорный телеграф и т.д. — это приём, передача, обработка и хранение информации. И это было не меньше чем 5000 лет. Но только недавно, в конце 18 века, были изобретены телефон и телеграф — устройства для передачи и приёма информации с помощью электрических сигналов. Это — начало электроники, как она сейчас называется. Дальше электроника довольно быстро развивается. В 1895 г. Попов изобрёл и построил действующую модель радио — электронное устройство для беспроводной передачи информации - грозоотметчик. Герц провёл опыты по распространению радиоволн, Маркони развил и применил эти опыты для построения радио с выбором передающей радиостанции по длине волны излучения. Но в начале не было хорошего усилительного элемента для электрических устройств. Поэтому настоящее развитие электроники началось с 1904 г., когда была изобретена радиолампа — диод, а в 1907 г. — триод. Они выглядят так, как показано на рис. Слева изображена радиолампа — диод, которая состоит из герметичного баллона, а внутри баллона — вакуум и несколько металлических конструкций с выведенными наружу электродами. Одна из них — нить накала, по ней пропускается электрический ток, который нагревает её до температуры в 700-2300 оС. Эта нить разогревает катод, к которому подводится отрицательное напряжение, и катод испускает электроны. К аноду подводится положительное напряжение, разность потенциалов довольно высокая (100-300 В), и поэтому электроны, вылетевшие из катода, полетят к аноду, и следовательно, в лампе потечёт ток. При смене знака напряжения электроны из холодного анода вылетать не будут, не будет и тока. Поэтому диод может исполнять роль выпрямителя переменного напряжения. На правом рис. изображена радиолампа — триод. В ней всё тоже, что и у диода, но есть дополнительный электрод — управляющая сетка. Обычно на сетку подаётся отрицательный потенциал, и она отталкивает вылетевшие из катода электроны. Поэтому чем более отрицательный потенциал сетки, тем меньше электронов протечёт от катода к аноду. Таким образом, потенциал сетки служит для управления током в радиолампе. Обычно сетка в лампе расположена к катоду гораздо ближе, чем анод, поэтому малыми потенциалами сетки можно управлять большими токами лампы. Если напряжение к аноду подаётся через большое сопротивление, то и потенциалы на аноде будут меняться сильнее, чем на сетке. Это хороший электронный усилитель напряжений. Радиолампы прошли очень большой путь развития. Появились более совершенные тетроды и пентоды — лампы с четырьмя и пятью электродами, обладающие большими коэффициентами усиления. Стали делать более сложные радиолампы: с более чем пятью электродами. Из них наибольшее распространение получили сдвоенные радиолампы: сдвоенные диоды, триоды, диод-триоды и т.д. Появились газонаполненные лампы — газотроны. В них есть газ, правда, находящийся под небольшим давлением. Обычно он ионизируется, появляются ионы — атомы без электрона, т.е. имеющие положительный заряд. Протекание тока в таких лампах более сложное: он может быть как электронным, так и ионным. Размеры радиоламп были очень разными: от миниатюрных пальчиковых до громадных в рост человека. Изобретение триода открыло большие возможности развития электроники. Мировое количество выпускаемых радиоламп выросло ко второй мировой войне до многих миллионов штук в год. Были изобретены и созданы многие устройства по приёму и передаче информации. Телефон и телеграф, радиоприёмники и радиопередатчики. Вместо патефонов появились проигрыватели пластинок, появились магнитофоны. Начали разрабатываться телевизоры. Но это всё только часть задач электроники — приём, передача и хранение информации. А где же обработка информации, наиболее важная, сложная и интересная её часть? Очевидно, что её может делать только вычислительное устройство. К началу Второй мировой войны уже появились электронные арифмометры — обработчики цифровой информации. Но настоящее развитие этой области электроники началось с возникновения электронных вычислительных машин (ЭВМ). Оно началось в 1948 году — в США была сделана первая ЭВМ на радиолампах — ЭНИАК. Вот некоторые её параметры:
Как видно из этой таблицы — это грандиозное сооружение. И оно обладало всеми характерными чертами современной ЭВМ: память, которая содержала данные и программу их обработки, арифметическое-логическое устройство, связь с внешними устройствами. Но, конечно, у неё ещё было и много недостатков. По сравнению с современным уровнем техники, эта ЭВМ менее сложная, чем простой калькулятор, особенно если он может программироваться. Но по весу (30 т по сравнению с 50 г), по занимаемой площади, по рассеиваемой мощности современные калькуляторы её существенно превосходят. Особенно важно, что их быстродействие никак не меньше 1 МГц, т.е. в сто раз больше, чем у первой ЭВМ. Но гораздо более существенным является срок службы первой ЭВМ. В основном он определялся сроком службы радиолампы. А он определяется интенсивностью отказов = 10-5 ч-1 Т.е. из 100 000 радиоламп одна откажет за время 1 час. Или другими словами, срок службы одной радиолампы равен Т = 1/ = 105 ч Это много. Действительно, если считать, что в сутках примерно по 25 ч, то это 4 000 дней, или примерно 12 лет работы до отказа. Это неплохо. Но когда вместо 5-20 радиоламп одновременно должны работать 18 000 радиоламп, ситуация резко меняется. Все радиолампы служат 12 лет, но выходят из строя случайно, в любой момент времени. И выход хоть одной радиолампы из строя приводит к выходу всего устройства. В этом случае для всего устройства можно записать: общ = N * = 18 000 * 10-5 = 0,18 ч-1 А срок службы всего устройства равен Т общ = 5 ч Т.е. срок службы ЭНИАКа всего 5 ч! В среднем через каждые 5 ч какая-то радиолампа выходила из строя. Найти из 18 000 радиоламп неработающую не так-то просто. А после того, как она найдена, надо её заменить, и провести проверку ЭВМ на работоспособность. На всё это уходило ещё около 5 ч. Но нам надо делать более сложные ЭВМ. Если мы усложним её так, что в ней будет в 10 раз больше радиоламп, срок службы уменьшится в 10 раз, т.е. будет равен 0,5 ч. А на ремонт будет уходить ещё больше времени. Это — катастрофа количеств. Всё дальнейшее развитие электроники связано с борьбой с катастрофой количеств. Для этого надо было понизить интенсивность отказов радиолампы. Но радиолампа — сложное устройство. Во-первых, внутри неё глубокий вакуум, если он потеряется, анодный ток радиолампы понизится из-за соударений электронов с атомами воздуха и с ионами, получившимися в результате этих столкновений. Сетка лампы — это проволочная спираль, которая намотана вокруг катода. Она слабая, не выдерживает перегрузок, вибраций. Нить накала нагрета до высокой температуры, поэтому испускает не только электроны, но и довольно много атомов, т.е. нить всё время испаряется. Устранить все эти недостатки и повысить срок службы не удалось. И вот в 1948 г. изобрели транзистор. Он выглядел так, как показано на рис. Он намного лучше радиолампы: меньше, легче, нет нити накала. Размеры его не больше одного миллиметра. Это цельный кусок полупроводника, весьма прочного кристалла, по прочности не уступающего стали или чугуну. Поэтому у транзистора интенсивность отказов меньше, примерно = 10-7 ч —1 . Транзисторы очень быстро завоевали рынок сбыта. Уже в 1949 г. в США сделали первую транзисторную ЭВМ, аналогичную ЭНИАКу — т.е. через год после изобретения транзистора. Для иллюстрации этого приведём цитату из журнала "Наука и жизнь", 1986, № 2, с. 90: "... если вести отсчёт от первых машин, то сегодня объёмы внутренней памяти ЭВМ увеличились в сотни раз, а быстродействие — в сотни тысяч раз, в тысячи раз уменьшилось потребление энергии, и снизилась стоимость. Специалисты прикинули, что если бы такими темпами прогрессировало автомобилестроение, то машина класса "Волги" двигалась бы чуть ли не со скоростью света, потребляла бы несколько граммов бензина на сотню километров и стоила бы несколько рублей". А ведь это было 15 лет назад! Посмотрим подробнее, как же был изобретён транзистор? Оказывается, его изобрели, исследуя влияние двух р-п переходов (полупроводниковых диодов) друг на друга, расположенных на очень малом расстоянии. (Это показано на рис.) Две металлические очень острые иглы помещались на поверхности германия (полупроводник) на малом расстоянии друг от друга, и затем прижигались (пропускался сильный ток на короткое время). При этом происходил разогрев полупроводника, металл частично растворялся в полупроводнике, и также диффундировал внутрь его. Металл подбирался таким образом, что его атомы создавали электронный полупроводник (п-тип). Таким образом получались два р-п перехода. А так как они были очень близки, то вступали во взаимодействие, и получался транзистор. Первые транзисторы так и изготовлялись, и эта технология называлась точечной. Очевидны недостатки её. Дело в том, что по теории транзисторов расстояние между р-п переходами должно быть намного меньше диффузионной длины (что это такое, мы скажем в следующих лекциях), а она очень маленькая, лежит в пределах от единиц до десятков микрометров (обычно говорят микронов). Расположить две иголочки так близко невозможно — микрон значительно меньше толщины человеческого волоса (примерно 50 мкм). Можно предположить, что расстояние между иголками сравнимо с толщиной человеческого волоса и примерно равно 0,1 мм, или 100 мкм. Далее нужно пропустить искру электрического разряда через иголочки, так, чтобы произошли плавление, растворение и диффузия металла. Процесс трудно воспроизводимый. Поэтому многие транзисторы, изготовленные по этой технологии, оказывались бракованными: то р-п переходы сливались, то расстояние между ними было слишком большим. А сам коэффициент усиления транзистора был вообще случайной величиной. Требовалось совершенствование технологии изготовления транзисторов. Первый шаг в этом направлении был получен, когда точечную технологию заменили на сплавную (см. рис.). Здесь изображена основная конструкция, применяемая в этом методе: две графитовые пластины с небольшими ямками для алюминия окружают с двух сторон пластину германия с электронной электропроводностью (п-типа). Эта конструкция помещается в печь с высокой температурой (600-800оС). Аллюминий расплавляется и диффундирует в германий. Когда диффузия прошла на достаточно большую глубину, процесс прекращают. Аллюминий является акцептором, т.е. там, где прошла диффузия, германий стал полупроводником с дырочной электропроводностью (р-типа). Выглядит это так: Теперь надо только разрезать полученную пластину на кусочки, содержащие по три разных типа электропроводности (транзисторы), посадить в корпус и припаять кристалл к ножкам — транзистор готов. Сплавные транзисторы намного лучше точечных: более управляемый процесс диффузии, просто поддерживается постоянная температура в печи и регулируется время диффузии. Точечная технология была вытеснена сплавной. Однако у сплавной технологии есть определённые недостатки, к основным из них относится то, что диффузия проводится с разных сторон. Толщина пластины не может быть меньше 0,5...1 мм, так как иначе она станет гибкой, будет сворачиваться, и нельзя будет считать, что пластина плоская. Значит, толщина, на которую нужно провести диффузию, как минимум 250 мкм, толщина базы 1...5 мкм, и её надо сделать точно (с точностью не хуже 1 мкм). В итоге надо сделать диффузию на глубину 250 мкм с точностью не хуже 1 мкм. Это трудно осуществимо. Постепенно в ходе разработки технологии изготовления транзисторов пришли к диффузионной технологии, в основе которой лежит фотолитография. Кратко опишем фотолитографию. Её задачей является создание на поверхности кремния (он лучше всего подходит для фотолитографии) маски для диффузии, которая потом будет производиться локально. Эта маска должна выдерживать очень высокие температуры (1200...13000С). Для этой цели годится оксид кремния, который получается очень просто путём окисления самого кремния при высоких температурах в парах воды и в кислороде. Его толщина порядки 1 мкм, но этого достаточно, чтобы не дать атомам примеси продиффундировать в полупроводник. Но в нужных местах в диоксиде кремния делают отверстия (окна), которые и будут определять, где пройдёт локальная диффузия. Для изготовления окон обычно используют фоторезист — это практически фотоэмульсия, котора обладает особыми свойствами: 1. Она должна выдерживать травление плавиковой кислотой (обычная фотоэмульсия не выдерживает), что необходимо при вытравливании окон в диоксиде кремния. 2. Она обладает высоким разрешением (более 1000 линий на мм, или менее 1 мкм). 3. Она обладает низкой вязкостью, для того, чтобы могла растечься до слоя толщиной в 1 мкм (иначе столь высокого разрешения не получить). 4. Она чувствительна к облучению светом в ультрафиолетовой области (длина волны света составляет 0,3 мкм). Так много особых свойств может иметь только особое вещество. Это пластмасса, которая под действием света разрушается, или, наоборот, под действием света образуется. Таких веществ найдено много. Это — фоторезисты. Итак, в процессе фотолитографии, мы можем создать тонкий слой диоксида кремния (на кремнии, полупроводнике), затем нанести очень тонкий слой фоторезиста, далее через фотошаблон (особая фотопластинка, на которой есть много заранее рассчитанных и изготовленных тёмных и светлых мест) осветить её ультрафиолетовым светом, затем проявить, то-есть удалить освещённые места (или наоборот неосвещённые), далее можно удалить через окна в фоторезисте диоксид кремния (травление в плавиковой кислоте) и удалить сам фоторезист, так как его остатки могут помешать при высокотемпературном процессе диффузии. Теперь можно производить диффузию с одной стороны: А значит, легче сделать точно регулируемый тонкий базовый слой: делаем диффузию на глубину примерно 5...6 мкм, затем вторую диффузию на 3..4 мкм. База будет примерно 2 мкм. Глубина диффузии и толщина базы соразмерны, значит, можно их сделать точно (а общая толщина пластины может быть любой, например 1 мм). Пластину (как принято называть в электронике "чип") можно разрезать на отдельные транзисторы, проверить каждый транзистор, и хорошие транзисторы можно посадить в корпус. Эне́ргия —физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Электро́н (от др.-греч. - янтарь]) — стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Электри́ческий ток — упорядоченное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Ток может быть переменным и постоянным Переме́нный ток, AC (англ. alternating current — переменный ток) — электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению. Постоя́нный ток, DC (англ. direct current — постоянный ток) — электрический ток, параметры, свойства, и направление которого не изменяются (в различных смыслах) со временем, то есть величина которого постоянна во времени. Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками. Электрическое сопротивление — скалярная физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока. Электри́ческая мощность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.  Индуктивность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур.  Ф — магнитный поток, I — ток в контуре, L — индуктивность. Электрическая ёмкость — характеристика проводника, показывающая способность проводника накапливать электрический заряд. Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Дио́д (от др.-греч. δις — два и -од означающего путь) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. Транзи́стор (англ. transistor) — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. На принципиальных схемах обозначается "VT" или "Q". |