Лекции по электронике1. Курс лекций угату 2008 удк ббк ш21 Шаньгин Е. С
 Скачать 6.22 Mb.
|
|
Е.С. Шаньгин ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Курс лекцийУГАТУ 2008 УДК ББК Ш21 Шаньгин Е.С. Ш21 Основы электроники: Учеб. пособие. – Уфа, изд-во УГАТУ, 2007, – 168 с. Рассмотрены основные полупроводниковые приборы и наиболее широко используемые устройства как аналоговой, так и цифровой электроники. Описаниям характеристик и параметров приборов предшествуют необходимые сведения по физическим явлениям, используемым в работе приборов. Учебное пособие предназначено для студентов второго курса специальности 552800- Информатика и вычислительная техника (подготовка дипломированного бакалавра техники и технологии). ISBN ББК СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение Электроника является универсальным и эффективным средством для решения самых различных проблем в области сбора и обработки информации, автоматического управления и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов. Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которого осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными. Обратимся к идеализированной системе управления некоторым объектом (рис. 1.1).  Рис.1.1. Структурная схема системы управления Электрические сигналы, содержащие информацию о контролируемых величинах, вырабатываются соответствующими датчиками. Эти сигналы фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Затем они обрабатываются микропроцессором, который может взаимодействовать с ЭВМ. Формируемые микропроцессором сигналы управления преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), усиливаются и подаются на силовые электронные устройства, управляющие исполнительными устройствами, непосредственно воздействующими на объект. Рассмотренная система содержит электронные устройства, работающие с аналоговыми сигналами (фильтры, усилители, силовые электронные устройства), цифровыми сигналами (микропроцессор, ЭВМ), а также устройства, осуществляющие преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно. Характеристики электронных устройств определяются прежде всего характеристиками составляющих их элементов. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии. В сороковых годах ХХ века масса электронного оборудования тяжелых самолетов приближалась к 1000 кг (без учета энергетического оборудования, необходимого для электропитания аппаратуры). Так, например, электронная аппаратура одной только системы вооружения на самолетах американской фирмы «Боинг» за десятилетие с 1949 по 1959 г. усложнилась в 50 раз. На самолетах выпуска 1959 года электронная схема этой системы содержала уже 100 000 элементов. Основным показателем совершенства электронной аппаратуры является плотность упаковки, т. е. количество элементов схемы в 1 см3 действующего устройства. Если, например, основным элементом электронного устройства являются лампы, то можно достигнуть плотности 0,3 эл/см3. С учетом этого для размещения современной ЭВМ потребуется объем в несколько тысяч кубических метров. Кроме того, нужна мощная энергетическая установка для питания такой машины. Создание в конце 40-х годов ХХ века полупроводниковых элементов (диодов и транзисторов) привело к появлению нового принципа конструирования электронной аппаратуры – модульного. Основой при этом является элементарная ячейка-модуль, стандартный по размерам, способу сборки и монтажу. При этом плотность упаковки возросла до 2,5 эл/см3. Дальнейшее совершенствование полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов и других элементов, уменьшение их размеров привели к созданию микромодулей. Плотность упаковки при этом превышала 10 эл/см3. Микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзисторной электроники и привели к возникновению интегральной электроники или микроэлектроники. В схемотехническом отношении интегральная электроника часто не отличается от транзисторной, так как в интегральной схеме можно выделить все элементы принципиальной схемы устройства, но размеры этих элементов очень малы (примерно 0,5–1 мкм). Технология изготовления интегральных схем позволила резко повысить плотность упаковки, доведя ее до тысяч элементов в 1 см3. С практической точки зрения электроника занимается созданием электронных приборов и устройств, в которых взаимодействие электронов с электромагнитными полями используется для передачи, обработки и хранения информации. Наиболее характерные виды таких преобразований – генерирование, усиление, передача и прием электромагнитных колебаний с частотой до 1012 Гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений (1012–1020 Гц). Преобразование до столь высоких частот возможно благодаря исключительно малой инерционности электрона – наименьшей из ныне известных заряженных частиц. В электронике исследуются взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решетки. Электроника опирается на многие разделы физики – электродинамику, классическую и квантовую механику, физику твердого тела, оптику, термодинамику, а также на химию, металлургию, кристаллографию и другие науки. Используя результаты этих и ряда других областей знаний, электроника, с одной стороны, ставит перед другими науками новые задачи, чем стимулирует их дальнейшее развитие, с другой – создает новые электронные приборы и устройства и тем самым вооружает науки качественно новыми средствами и методами исследования. Практические задачи электроники:
Электроника играет ведущую роль в научно-технической революции. Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой деятельности в значительной мере (зачастую решающей) способствует успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению производительности физического и умственного труда, улучшению экономических и экологических показателей производства. На основе достижений электроники развивается промышленность, выпускающая электронную аппаратуру для различных видов связи, автоматики, телевидения, радиолокации, вычислительной техники, систем управления технологическими процессами, приборостроения, а также аппаратуру светотехники, инфракрасной техники, рентгенотехники и др. Историческая справка Электроника зародилась в начале ХХ века после создания основ электродинамики (1856-73 г.г.), исследования свойств термоэлектронной эмиссии (1882-1901 г.г.), фотоэлектронной эмиссии (1887-1905 г.г.), рентгеновских лучей (1895-97 г.г.), открытия электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897 г.), создания электронной теории (1892-1909 г.г.). Развитие электроники началось с изобретения лампового диода (Дж. А. Флеминг, 1904 г.); трехэлектродной лампы – триода (Л. Де Форест, 1906 г.); использования триода для генерирования электрических колебаний (нем. инж. А. Мейснер, 1913 г.); разработки мощных генераторных ламп с водяным охлаждением (М.А. Бонч-Бруевич, 1919-25 г.г.) для радиопередатчиков, используемых в системах дальней радиосвязи и радиовещания. В течение короткого времени были созданы основные электронные приборы. Вакуумные фотоэлементы (экспериментальный образец создал А.Г. Столетов, 1888 г., пром. образец – нем. ученые Ю. Эльстер и Г. Хейтель, 1910 г.), фотоэлектронные умножители – однокаскадные (П.В. Тимофеев, 1928 г.) и многокаскадные (Л.А. Кубецкий, 1930 г.) – позволили создать звуковое кино, послужили основой для разработки передающих телевизионных трубок – видикона (идея предложена в 1925 г. А.А. Чернышевым), иконоскопа (С.И. Катаев, независимо от него В.К. Зворыкин, 1931-32 г.), супериконоскопа (П.В. Тимофеев, П.В. Шмаков, 1933 г.), суперортикона (двухсторонняя мишень для такой трубки была предложена сов. ученым Г.В. Брауде в 1939 г., впервые суперортикон описан амер. учеными А. Розе, П. Веймером и Х. Лоу в 1946 г.) и др. Создание многорезонаторного магнетрона (Н.Ф. Алексеев и Д.Е. Маляров под рук. М.А. Бонч-Бруевича, 1936-37 г.г.), отражательного клистрона (Н.Д. Девятков и др. и независимо от них В.Ф. Коваленко, 1940 г.) послужило основой для развития радиолокации в сантиметровом диапазоне волн. Пролетные клистроны (идея предложена в 1932 г. Д.А. Рожанским, развита в 1935 г. А.Н. Арсеньевой и нем. физиком О. Хайлем, реализована в 1938 г. амер. физиками Р. и З. Варианами и др.) и лампы бегущей волны (амер. ученый Р. Компфнер, 1943 г.) обеспечили дальнейшее развитие систем радиорелейной связи, ускорителей элементарных частиц и способствовали созданию систем космической связи. Одновременно с разработкой вакуумных электронных приборов создавались и совершенствовались газоразрядные приборы (ионные приборы), например, ртутные вентили, используемые главным образом для преобразования переменного тока в постоянный в мощных промышленных установках, тиратроны для формирования мощных импульсов электрического тока в устройствах импульсной техники, газоразрядные источники света. Использование кристаллических полупроводников в качестве детекторов для радиоприемных устройств (1900-1905 г.г.), создание купроксных и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920-1926 г.г.), изобретение кристадина (О.В. Лосев, 1922 г.), изобретение транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин, 1948 г.) определили становление и развитие полупроводниковой электротехники. Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50-х, начало 60-х г.г.) и методов интеграции многих элементарных приборов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов) на одной монокристаллической полупроводниковой пластине привело к созданию нового направления – микроэлектроники. Основные разработки в области интегральной электроники направлены на создание интегральных схем – микроминиатюрных электронных устройств (усилителей, преобразователей, процессоров ЭВМ, электронных запоминающих устройств и т. п.), состоящих из сотен и тысяч электронных элементов, размещаемых на одном полупроводниковом кристалле площадью в несколько мм2. Микроэлектроника открыла новые возможности для решения таких проблем, как автоматизация управления технологическими процессами, переработка информации, совершенствование вычислительной техники и других, выдвигаемых развитием современного производства. Создание квантовых генераторов (Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс, 1955 г.) – приборов квантовой электроники – определило качественно новые возможности электроники, связанные с использованием источников мощного когерентного излучения оптического диапазона (лазеров) и построением сверхточных квантовых стандартов частоты. Фундаментальные исследования в области физики и технологии электронных приборов выполнили М.А. Бонч-Бруевич, Л.И. Мандельштамм, Н.Д. Папалекси, С.А. Векшинский, А.А. Чернышев, М.М. Богословский и многие другие. По проблемам возбуждения и преобразования электрических колебаний, излучения, распространения и приема радиоволн, их взаимодействия с носителями тока в вакууме, газах и твердых телах работали Б.А. Введенский, В.Д. Калмыков, А.Л. Минц, А.А. Расплетин, М.В. Шулейкин и др. В области физики полупроводников – А.Ф.Иоффе, люминесценции и по др. pазделам физической оптики – С.И. Вавилов, квантовой теории рассеяния света излучения, фотоэффекта в металлах – И.Е. Тамм и многие другие. Области, основные разделы и направления электроники Электроника включает в себя три области исследований:
Каждая область подразделяется на ряд разделов и ряд направлений. Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических явлений и процессов, которые имеют фундаментальное значение для разработки многих классов электронных приборов данной области. Направление охватывает методы конструирования и расчетов электронных приборов, родственных по принципам действия или по выполняемым ими функциям, а также способы изготовления этих приборов. Вакуумная электроника содержит следующие разделы:
Основные направления вакуумной электроники охватывают вопросы создания электровакуумных приборов (ЭВП) следующих видов:
Твердотельная электроника содержит следующие разделы, связанные в основном с полупроводниковой электроникой:
Основные направления полупроводниковой электроники связаны с разработкой и изготовлением различных видов полупроводниковых приборов:
Наиболее важные направления квантовой электроники – создание лазеров и мазеров. На основе приборов квантовой электроники строятся устройства для точного измерения расстояний (дальномеры), квантовые стандарты частоты, квантовые гироскопы, системы оптической многоканальной связи, дальней космической связи, радиоастрономии. Энергетическое воздействие лазерного концентрированного излучения на вещество используется в промышленной технологии. Лазеры находят различное применение в биологии и медицине. Перспективы развития электроники Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, связана с требованием увеличения количества обрабатываемой информации вычислительными и управляющими электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема решается путем:
Одна из тенденций развития электроники – проникновение ее методов и средств в биологию (для изучения клеток и структуры живого организма и воздействия на него) и медицину (для диагностики, терапии, хирургии). 2. Элементы электронных схем Современные электронные схемы содержат в качестве нелинейных элементов большое количество функциональных компонентов, основанных на использовании свойств полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению ρ занимают место между проводниками и диэлектриками (ρ=10-3…108 Ом-см). Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Причем проводимость полупроводников в значительной степени зависит от наличия примесей и температуры. В полупроводниках присутствуют подвижные носители зарядов двух типов: отрицательные электроны и положительные дырки. Чистые (собственные) полупроводники в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимости. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках возникают обычно в результате термогенерации. Техническое применение получили так называемые примесные полупроводники, в которых в зависимости от рода введенной примеси преобладает либо электронная, либо дырочная проводимость. В зависимости от типа проводимости (основных носителей заряда) полупроводники подразделяются на полупроводники р-типа (дырочного типа) и n-типа (электронного типа). Концентрация основных носителей определяется концентрацией примеси и практически не зависит от температуры, так как уже при комнатной температуры все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей, возникающих за счет генерации пар электрон-дырка, пренебрежительно мало по сравнению с общим числом основных носителей. В то же время концентрация неосновных носителей мала и сильно зависит от температуры, увеличиваясь в 2-3 раза при увеличении температуры на каждые 10°С. Рассматриваемые электронные приборы представлены на рис. 2.1.  Рис. 2.1. Классификация электронных полупроводниковых приборов Полупроводниковые диоды Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 2.2.  Рис. 2.2. Схема структуры полупроводникового диода (а) и его графическое обозначение (б) Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область p-n-перехода на рис. 2.2) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя pислояn возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой pи электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока. Основные характеристики полупроводникового диода представляются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 2.3).  Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводникового диода Диоды обычно характеризуются следующими параметрами (рис. 2.3):
Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа. Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты fгр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения. Общий вид диодов показан на рис 2.4.   Рис. 2.4. Конструкция диодов малой мощности (а) и средней мощности (б) Стабилитрон. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Условное графическое обозначение стабилитрона представлено на рис. 2.5,а.  Рис. 2.5. Графическое изображение полупроводниковых диодов: а) стабилитрон; б) диод Шоттки; в) варикап; г) туннельный диод; д) обращенный диод В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно, т. е. стабилитрон стабилизирует напряжение. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона Д814Д представлена на рис. 2.6.  Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона Д814Д В стабилитронах может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой в зависимости от удельного сопротивления базы. В стабилитронах с низкоомной базой (низковольтных, до 5,7 В) имеет место туннельный пробой, а в стабилитронах с высокоомной базой (высоковольтных) – лавинный пробой. Основными является следующие параметры стабилитрона:
Величины Uст , Iст.мини Iст.макспринято указывать как положительные. Для примера применения стабилитрона обратимся к схеме так называемого параметрического стабилизатора напряжения (рис. 2.7.). Легко заметить, что если напряжение uвх настолько велико, что стабилитрон находится в режиме пробоя, то изменения этого напряжения практически не вызывают изменения напряжения uвых(при изменении напряжения uвх изменяется только ток i, а также напряжение  ). |
;
(ТКН) – температурный коэффициент напряжения стабилизации.