Лекция по предмету Электроника и схемотехника. Основные понятия и определения
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
Раздел 1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Раздел 1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ §1. Основные понятия и определения 2 Раздел 1. Элементная база электронных устройств Электронные приборы и цепи К изделиям электроники относят дискретные элементы и компоненты, а также интегральные схемы (ИС). Обычно их делят на два больших класса: активные и пассивные. Пассивные дискретные элементы предназначены для перераспределения электрической энергии: резисторы, конденсаторы, индуктивности, трансформаторы, интегральные схемы (ИС) в виде наборов пассивных элементов. К активным относят такие компоненты, которые способны преобразовывать электрические сигналы и усиливать их мощность. Это диоды, транзисторы, тиристоры, ИС и т.д. Классификация по виду рабочей среды Режимы работы К электродам электронных приборов подключают источники как постоянных, так и переменных напряжений, поэтому различают статический, квазистатический и динамический режим работы приборов. Режим работы прибора при постоянных напряжениях, все параметры которого не изменяются во времени, называют статическим Режим, при котором хотя бы на одном из электродов напряжение изменяется во времени, называют динамическим. Если параметры режима изменяются во времени медленно (в каждый момент времени несущественно отличаются от статических), то такой режим называют квазистатическим. Электронная цепь - понимается электрическая цепь, которая кроме стандартных элементов цепей (сопротивлений, емкостей, индуктивностей, трансформаторов, источников напряжения и тока) содержит электронные приборы (диоды, транзисторы, электронные лампы и другие ). Изображение электронной цепи с помощью условных знаков называют электронной схемой Электронные схемы называются активными, если энергия сигнала на выходе схемы W2 либо превосходит энергию входного сигнала W1, либо входной сигнал отсутствует вовсе. Пассивная электронная схема Параметрическая электронная схема Раздел 1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ §2. Физические основы п/п приборов 2.1. П/п материалы различных типов проводимости 2.2 . Процесс образования p-n перехода 2.3. Прямое и обратное включение p-n перехода 2.4 . ВАХ p-n перехода 9 Раздел 1. Элементная база электронных устройств Электронные и ионные электровакуумные приборы 10 Раздел 1. Элементная база электронных устройств Электронные и ионные электровакуумные приборы 11 Раздел 1. Элементная база электронных устройств Электронные и ионные электровакуумные приборы 12 • Низкое быстродействие ЭВМ • Большие массогабаритные показатели устройств • Хрупкость и перегорание ламп • Необходимость мощной охладительной системы Недостатки: Раздел 1. Элементная база электронных устройств Полупроводниковые (п/п) приборы – твердотельные приборы, действие которых основано на протекании электрического тока через полупроводниковые материалы 13 Недостатки: • Разброс параметров • Зависимость параметров от температуры • Малая мощность Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.1. П/п материалы различных типов проводимости Исходные материалы для изготовления: Ge, Si , арсенид галлия и др. 14 П/п материалы – материалы кристаллической структуры с удельным электрическим сопротивлением между проводниками и диэлектриками (от 10 -3 до 10 10 Ом*см). Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.1. П/п материалы различных типов проводимости 15 Проводимость Собственная Примесная чистый (IV гр: Si, Ge) р-типа (III гр: In, Ga) n-типа (V гр:As, Sb, P) Раздел 1. Элементная база электронных устройств I диф Е зап p n I др А К 2.2. Процесс образования p-n перехода 16 Электронно-дырочный (или p-n) переход – область, где имеется переход от полупроводника с электронной проводимостью к полупроводнику с дырочной проводимостью. a д 0 2 ln , 11600 T i T e N N n k T T m q m Раздел 1. Элементная база электронных устройств E вн Е зап p n I пр А К 2.3 . Прямое и обратное включение p-n перехода 17 Прямое включение p-n перехода – положительный полюс внешнего напряжения прикладывается к р-области, а отрицательный - к n-области диф др пр диф др пр ( ) единицы Ом I I I I I R Раздел 1. Элементная база электронных устройств E вн Е зап p n I др ≈0 А К 2.3 . Прямое и обратное включение p-n перехода 18 Обратное включение p-n перехода – отрицательный полюс внешнего напряжения прикладывается к р-области, а положительный - к n-области диф др обр диф др пр обр 0 const ( ) единицы кОм I I I I I I R Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.4 . ВАХ p-n перехода 19 Вентильное свойство p-n перехода – односторонняя проводимость электрического тока обр пр / 0 ( 1), T U I I I I e U проб U обр I пр U пр 1 2 Раздел 1. Элементная база электронных устройств U проб U обр I пр U пр 1 2 2.4 . ВАХ p-n перехода 20 Пробой p-n перехода – скачкообразное изменение тока, при неизменном приложенном напряжении 1 – электрический пробой (вследствие лавинного и туннельного пробоя), является обратимым 2 – тепловой пробой, является необратимым Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.4 . ВАХ p-n перехода 21 Лавинный пробой – неосновные носители заряда ускоряются обратным напряжением и приобретают энергию, достаточную, что бы при столкновении с узлом кристаллической решетки оторвать валентные электроны, создавая дырки. Новые носители заряда разгоняются аналогично, что приводит к лавинообразному увеличению числа носителей заряда, а значит росту тока Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.4 . ВАХ p-n перехода 22 Туннельный пробой – в узких p-n переходах при малом приложенном напряжении возникает большая напряженность электрического поля, что позволяет валентным электронам отрываться от атомов, создавая дырки. Это приводит к увеличению числа носителей заряда, а значит росту тока Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.4 . ВАХ p-n перехода 23 Тепловой пробой – рост величины обратного тока p-n перехода сопровождается ростом выделяемого тепла, что увеличивает термогенерацию носителей заряда. Это приводит к необратимому разрушению кристаллической структуры полупроводника Раздел 1. Элементная база электронных устройств Раздел 1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ §3. Пассивные элементы электрических цепей 3.1. Резисторы 3.2. Конденсаторы 3.3. Индуктивности 24 Раздел 1. Элементная база электронных устройств 3.1. Резисторы 25 П/п резистор – Прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электронного сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и других управляющих параметров. Линейная (R=const) Нелинейная Раздел 1. Элементная база электронных устройств По целевому применению резисторы разделяют на : резисторы общего назначения специальные резисторы нелинейные сопротивления 2.1. П/п резисторы 26 П/п резистор – Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.1. П/п резисторы 27 Номиналы промышленно выпускаемых электронных компонентов не являются произвольными. Существуют специальные стандартизированные ряды номиналов, каждый из которых соответствует определенному допуску в номиналах компонентов. По ряду Е3...Е128. В зависимости от ряда, допуск может составлять от 0,05% до 20%. Раздел 1. Элементная база электронных устройств Номинальное сопротивление (R н) – значение сопротивления, которое должен иметь резистор. Значение номинального сопротивления обозначено на резисторе и указано в сопроводительной документации. 28 28 1 100% (ТКС) R R T Число после буквы указывает количество значений сопротивления, которое находится в декаде: чем больше число, тем больше значений и тем меньше допустимое отклонение от номинала в ряду. 29 29 Индуктивность – элемент, запасающий электрическую энергию в магнитном поле. Запасенная энергия при соответствующих условиях может быть полностью возвращена источнику. Идеальная индуктивность – только накопитель энергии, свойствами необратимого потребления энергии не обладает. Функционирование катушек индуктивности основано на взаимодействии тока и магнитного потока. При изменении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в магнитном поле, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного dФ потока 3.2. Индуктивности 30 Параметрами, характеризующими катушку индуктивности, являются: индуктивность; реактивное (индуктивное) сопротивление; сопротивление потерь; температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) – это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры окружающей среды; паразитная межвитковая емкость обмотки катушки индуктивности, добротность катушки индуктивности, которая определяет соотношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки и равна отношению реактивного сопротивления к активному (суммарному сопротивлению потерь) 31 Классификация катушек индуктивности по назначению : контурные катушки индуктивности – используют совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров; катушки связи – обеспечивают индуктивную связь между отдельными цепями и каскадами; вариометры – катушки, в которых можно изменять индуктивность в широких пределах в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. дроссели – катушки с высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному току катушки индуктивности для ИМС – выполняют в виде круглой или квадратной спирали из праводящего материала. Или на 10– 100 МГц применяют тонкопленочные спиральные катушки. В гибридных ИМС чаще применяют миниатюрные тороидальные катушки на ферритовых сердечниках. 32 33 В синусоидальном режиме напряжение и ток в емкости – гармоники одной частоты, отличающиеся по фазе. Фаза тока в емкости превышает фазу напряжения на 90°. Основными элементами конструкции конденсатора постоянной емкости в простейшем случае являются две токопроводящие обкладки 7, разделенные диэлектриком 2, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. 34 По назначению различают конденсаторы: общего назначения – используют во всех видах РЭС. К ним относят низковольтные конденсаторы, подразделяемые на низко- и высокочастотные, к которым не предъявляют особых требований; специального назначения – высоковольтные, проходные, помехоподавляющие, разделительные, блокировочные, пусковые, импульсные, дозиметрические и др. По характеру изменения емкости конденсаторы подразделяют: Постоянные – изготавливают на номинальные значения емкости в соответствии с рядами номинальных значений ЕЗ, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96 и Е192 Значение емкости постоянных конденсаторов фиксировано, и охватывает диапазон от единиц пикофарад до сотен тысяч микрофарад; Переменные – используют для настройки колебательных контуров, электрических фильтров и т. п. Изменение значения емкости возможно в достаточно больших пределах: от 3–5 до 1200–30 000 пФ; Подстроечные – используют для незначительного изменения емкости при разовой или периодической регулировке РЭС. Диапазон регулирования емкости составляет 0,4–450 пФ. 35 3. Емкость как элемент электрической цепи. В зависимости от вида диэлектрика различают: конденсаторы с органическим диэлектриком – изготавливают путем намотки тонких длинных лент и их комбинации с металлизированными или фольговыми электродами; конденсаторы с неорганическим диэлектриком – в качестве диэлектрика в них используют керамику, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамику и слюду, обкладки выполняют в виде тонкого слоя металла, нанесенного на диэлектрик конденсаторы с газообразным диэлектриком – в качестве диэлектрика в них используют воздух, вакуум или сжатый газ (азот, фреон, элегаз); оксидные конденсаторы (ранее называли электролитическими) – в качестве диэлектрика в них используют оксидный слой, образуемый электрохимическим путем на аноде – металлической обкладке из некоторых металлов,второй обкладкой конденсатора – катодом, является электролит, пропитывающий прокладку в оксидно-электролитических (жидкостных) конденсаторах; конденсаторы с двойным электрическим слоем ( суперконденсаторы, ионисторы) – диэлектриком в них является тонкий слой органического или неорганического электролита и активированный уголь. Обкладками такого конденсатора является двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. 36 3. Емкость как элемент электрической цепи. Раздел 1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ §4. Классификация п/п приборов ( Макрировка по ОСТ 11336.919-81) 4.1. 4П/п диоды 4.2. П/п тиристоры 4.3. П/п транзисторы 37 Раздел 1. Элементная база электронных устройств 4.2 . П/п диоды 38 П/п диод – прибор с двумя выводами на основе п/п-ов с различными типами проводимости, содержащий 1 p-n переход. Принцип действия основан на вентильном свойстве p-n перехода. Первый диод создан Джоном Флеммигом в 1904 г. Раздел 1. Элементная база электронных устройств 4.3 . П/п тиристоры 39 Тиристор – прибор, на основе п/п-ов с различными типами проводимости, содержащий более двух p-n переходов. Динистор имеет два вывода, тринистор – три. Раздел 1. Элементная база электронных устройств 4.4 . П/п транзисторы 40 Биполярный транзистор (БПТ) – прибор, с тремя выводами на основе п/п-ов с различными типами проводимости, содержащий 2 p-n перехода. Полевый транзистор (ПТ) – прибор, на основе п/п-ов с различными типами проводимости, содержащий 1 p-n переход и 1 изотропный канал. Раздел 1. Элементная база электронных устройств Раздел 1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ §5. Полупроводниковые диоды ( Макрировка по ОСТ 11336.919-81) 5.1 . Классификация и УГО 5.2 . Принцип действия и характеристики 41 Раздел 1. Элементная база электронных устройств 5.1 . Классификация и УГО 42 Диоды точечные Выпрямительные, импульсные СВЧ-диоды Диоды плоскостные Выпрямительные Стабилитроны, стабисторы Туннельные Варикапы Обращенные Светодиоды Фотодиоды Раздел 1. Элементная база электронных устройств Точечные диоды – 43 технология изготовления которых такова, что площадь p-n перехода мала (0,5-1,5 мм 2 ). Представляют собой пластинку п/п-ка n-типа (толщиной 0,1-0,6 мм), в которую вплавляется игла металла или сплава для образования слоя с дырочным типом проводимости. Анод Катод Раздел 1. Элементная база электронных устройств Плоскостные диоды – 44 технология изготовления которых такова, что площадь p-n перехода велика (до 100 мм 2 и более). P-n переход образуется полупроводниками с различными типами проводимости. Анод Катод Раздел 1. Элементная база электронных устройств 5.2 . Принцип действия и хар-ки 45 Выпрямительные диоды – Принцип действия основан на вентильном свойстве p-n перехода. • I пр ср – среднее за период значение впрямленного тока, • U пр ср – среднее прямое напряжение при заданном I пр ср , • U обр max ≈ 0,7 U проб – максимально допустимое обратное напряжение, • I пр max – максимально допустимый постоянный прямой ток I пр ср U пр ср I пр max U обр max U пр max U обр I пр U пр 1 2 – + – + VD Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.2 . Принцип действия и хар-ки 46 Выпрямительные диоды – Принцип действия основан на вентильном свойстве p-n перехода. U обр max U обр I пр U пр 1 2 – + – + открыт закрыт VD Применяются для выпрямления напряжения и тока. Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.2 . Принцип действия и хар-ки 47 Импульсные диоды – Принцип действия основан на малом времени восстановления ( τ вос ) обратного сопротивления. Время восстановления – временной интервал между возникновением обратного тока и достижения им установившегося значения, т.е. длительность переходного процесса. I пр ср U пр ср I пр max U обр max U пр max U обр I пр U пр 1 2 – + – + VD Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.2 . Принцип действия и хар-ки 48 СВЧ диоды – работают в СВЧ диапазоне благодаря малой площади p-n перехода. Малая площадь обеспечивает малое значение межэлектродной ѐмкости, а значит и обратного тока. I пр ср U пр ср I пр max U обр max U пр max U обр I пр U пр 1 2 VD 1 с Х С E вн Е зап p n I др ≈0 А К С + – Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.2 . Принцип действия и хар-ки 49 Стабилитроны – Работают на участке электрического пробоя обратной ветви ВАХ p-n перехода. Стабилизируют напряжение. VD I пр U пр I обр U обр U ст I ст min I ст max I ст + – • U ст – напряжение стабилизации. • I ст max – максимальный ток стабилизации; • I ст min – минимальный ток стабилизации; • r диф = dU ст / dIст – дифференциальное сопротивление. Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.2 . Принцип действия и хар-ки 50 Стабисторы – Работают на участке прямой ветви ВАХ p-n перехода. Стабилизируют малые значения напряжения. VD I пр U пр I обр U обр U ст I ст min I ст max I ст – + • U ст – напряжение стабилизации. • I ст max – максимальный ток стабилизации; • I ст min – минимальный ток стабилизации; • r диф = dU ст / dIст – дифференциальное сопротивление. Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.2 . Принцип действия и хар-ки 51 Варикапы – приборы с управляемой электрическим напряжением ѐмкостью p-n перехода. VD обр ( ) p n С f U С Uобр 1 с Х С E вн Е зап p n I др ≈0 А К С + – Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.2 . Принцип действия и хар-ки 52 Туннельные диоды – VD I max Uпр I min 1 2 выполняются на основе вырожденного п/п-а, в котором вследствие туннельного эффекта на прямой ветви ВАХ p-n перехода имеются участки отрицательного дифференциального сопротивления (1-2) Туннельные диоды делятся на: • усилительные, • генераторные, • переключательные Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.2 . Принцип действия и хар-ки 53 Обращенные диоды – VD принцип действия аналогичен туннельным диодам, но I max ≈0 поэтому имеется горизонтальный участок, т.е. прямую ветвь ВАХ p-n перехода можно считать обратной. Применяются для выпрямления малых напряжений I max Uпр 1 2 Раздел 1. Элементная база электронных устройств 2.2 . Принцип действия и хар-ки 54 Светодиоды – VD принцип действия основан на свечении при рекомбинации носителей заряда в области p-n- перехода Раздел 1. Элементная база электронных устройств 3.2. Принцип действия и хар-ки 55 Фотодиоды – VD принцип действия основан на генерации носителей заряда под действием света при освещении области p-n-перехода Раздел 1. Элементная база электронных устройств |