Учебное пособие ОИБ. Аннотация дисциплины наименование дисциплины 4 глоссарий 5 Физические основы полупроводниковых приборов
 Скачать 1.49 Mb.
|
 Федеральное агентство морского и речного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» В. В. Сахаров А. А. Чертков Л.Б. Очина Электронное учебное пособие по дисциплине Электроника и схемотехника Санкт-Петербург 2020 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 3 АННОТАЦИЯ ДИСЦИПЛИНЫ НАИМЕНОВАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 4 ГЛОССАРИЙ 5 1. Физические основы полупроводниковых приборов………………..6 1.1. Электропроводность полупроводников……………………………6 1.2. Полупроводниковые диоды. Устройство, принцип действия…...8 1.3. Биполярные транзисторы. Устройство, принцип работы……….11 1.4. Схемы включения биполярных транзисторов с p-n-p структурой13 1.5. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом…………..15 1.6. Динисторы, тиристоры. Устройство, принцип действия………...16 1.7. Симисторы. Устройство, принцип действия………………………18 1.8. Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия….20 1.9. Фототранзисторы, фототиристеры, оптроны. Устройство, принцип действия……………………………………………………24 Контрольные вопросы по разделу 1…………………………………….26 2. Аналоговая электроника………………………………………………28 2.1. Однополупериодные выпрямители………………………………...28 2.2. Двухполупериодные выпрямители…………………………………30 2.3. Электронные усилители на биполярных транзисторах…………..32 2.4. Импульсные усилители……………………………………………...34 2.5. Операционные усилители…………………………………………...35 Контрольные вопросы по разделу 2…………………………………….38 3. Цифровая электроника…………………………….............................40 3.1. Логические функции, логически устройства……………………...40 3.2. Основные логические элементы и их обозначение на схемах….42 3.3. Асинхронный RS-триггер. Устройство, принцип действия……..43 3.4. Синхронный RS-триггер. Устройство, принцип действия………44 3.5. Синхронные D-триггер. Устройство, принцип действия………..45 3.6. Шифратор. Устройство, принцип работы…………………………46 37. Дешифратор. Устройство, принцип работы……………………….47 3.8. Регистры. Устройство, принцип работы…………………………..48 3.9. Счётчики импульсов. Устройство, принцип работы……………..51 Контрольные вопросы по разделу 3………………………………….....53 Тестирование………………………………………………………………54 ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................55 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………56 ВВЕДЕНИЕ Электронное учебное пособие по дисциплине «Электротехника» направлено на формирование общепрофессиональных компетенций в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом по уровню бакалавриата: ОПК-3 «Способность применять положения в области электротехники, электроники и схемотехники для решения профессиональных задач); Электронное учебное пособие предназначено для обучающихся по направлению подготовки бакалавриата 10.05.03 «Информационная безопасность», может быть использовано при изучении других дисциплин, направленных на формирование универсальных общепрофессиональных и профессиональных компетенций. В электронном учебном пособии содержится материал по основам построения и принципам работы различных аналоговых и цифровых электронных элементов, необходимый студентам в дальнейшем при изучении специальных дисциплин, связанных с информационной безопасностью автоматизированных систем, технологических процессов, а также построении защищенных информационных систем. Рассмотрена возможность практического обучения студентов компьютерному моделированию основных узлов аналоговой и цифровой схемотехники с визуальной демонстрацией физических процессов их работы с помощью современной вычислительной среды MATLAB. Цель электронного учебного пособия − обучение методам анализа и синтеза электронных устройств и схемотехнических решений с применением новейших средств вычислительной техники и программных продуктов. Содержание данного электронного учебного пособия соответствует рабочей программе дисциплины и основано на материалах отечественных и зарубежных исследований, включая современные публикации. Каждый раздел электронного учебного пособия включает контрольные вопросы и тестовые задания.  АННОТАЦИЯ ДИСЦИПЛИНЫ НАИМЕНОВАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Место дисциплины в структуре образовательной программы Дисциплина “Электротехника” относится к вариативной части Блока 1 и изучается на 2 курсе в IV семестре по очной форме обучения. Данная дисциплина базируется на следующих дисциплинах: – «Математика», «Физика», «Информатика», «Электротехника», «Теория вероятностей», «Основы математической логики». Для успешного изучения дисциплины студент должен: – знать основы программирования, математического анализа и теории вероятностей, математической логики, физики и электротехники; – уметь пользоваться математическими методами анализа при решении задач и выполнении курсовых и расчетно-графических работ, сбора и обработки информации и других задач, включенных в квалификационную характеристику специальности. Дисциплина “Электроника и схемотехника” необходима в качестве предшествующей для дисциплин «Технические средства и методы защиты информации», «Программно-аппаратные средства обеспечения информационной безопасности», а также для прохождения учебной практики после 3 курса. Планируемые результаты обучения по дисциплине В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: основы и принципы построения различных аналоговых и цифровых электронных элементов и устройств, используемых в автоматизированных системах, промышленных установках и технологических комплексах; основные стандарты, условные графические обозначения электронных элементов и устройств. Уметь: использовать полученные знания в области электроники и схемотехники при решении профессиональных задач. Владеть: способами анализа и синтеза электронных устройств и схемотехнических решений для обеспечения информационной безопасности на объектах водного транспорта. Объем дисциплины по видам учебных занятий Объем дисциплины составляет 3 зачетные единицы; всего 99 часов, из которых по очной форме 99 часов составляет контактная работа обучающегося с преподавателем (17 часов − занятия лекционного типа, 68 часов – лабораторные работы, 6 часов − расчетно-графическая работа, 8 часов – зачет). ГЛОССАРИЙ Глоссарий (словарь терминов и определений) указывается один раз для всего электронного учебного пособия по дисциплине. Термины в глоссарии указываются строго в алфавитном порядке. Шаблон представления глоссария
Физические основы полупроводниковых приборов Цель раздела: Изучение параметров и принципов работы полупроводниковых приборов 1.1. Электропроводность полупроводников Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. У металлов удельное сопротивление ρ=  - Ом·м, у диэлектриков ρ= -  Ом·м, у полупроводников ρ= - Ом·м. Наибольшее распространение получили полупроводниковые материалы кремний Si и германий Ge. Особенностью проводников является наличие свободных электронов – носителей электрических зарядов. В диэлектриках свободных электронов нет. В отличие от проводников полупроводники имеют не только электронную, но и дырочную электропроводности, которые зависят от температуры окружающей среды, наличия освещённости, электрического поля, примесей и других факторов. Кристаллическая решетка полупроводника имеет парноэлектронную связь атомов. На рис 1.1 приведены схематические изображения парноэлектронной связи атомов.  Рис. 1.1. Схематические изображения парноэлектронной связи атомов Кристаллическая решётка четырёхвалентного германия изображена на рис. 1.2.  Рис. 1.2. Кристаллическая решётка четырёхвалентного германия Каждый атом германия образует парноэлектронную связь с четырмя соседними атомами. При отсутствиии примесей и температуре окружающей среды, близкой к абсолютному нулю, свободных электронов нет и германий не обладает электропроводностью. При повышении температуры окружающей среды появляются свободные электроны, которые под действием внешнего электрического поля перемещаются, и возникает электрический ток. Электропроводность, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной электропроводностью полупроводника или n – электропроводностью. Дырки перемещаются противоположно движению электронов. На рис. 1.3 изображена схема образования свободного электрона, а так же перемещения электронов и заполнения дырок в кристалле германия.  Рис. 1.3. Схема образования свободного электрона, а так же перемещения электронов и заполнения дырок в кристалле германия Электропроводность, возникающая в результате перемещения дырок, называется дырочной электропроводностью или p – электропроводностью. Рассмотренные n и p – электропроводности, носят названия собственных электропроводностей. Вводя в кристалл полупроводника примеси других элементов, можно получить примесные электропроводности либо n, либо p – электропроводности. Пятивалентные элементы: мышьяк, сурьма, фосфор образуют свободные электроны. Трёхвалентные элементы: индий, галлий, алюминий способствуют появлению свободных дырок. На рисунках 1.4 и 1.5 изображены схемы связи различных примесей с германием.  Рис. 1.4. Схема замещения в кристаллической решётке атома германия пятивалентным атомом фосфора Замещение в кристаллической решётке атома германия Ge пятивалентным атомом фосфора P, способствует образованию свободного электрона, что соответствует электронной n – электропроводности. Такая электропроводность называется донорской. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом.  Рис. 1.5. Схема замещения в кристаллической решетке атома германия атомом трёхвалентного индия Замещение в кристаллической решетке атома германия Ge атомом трехвалентного индия In, образует ковалентную связь с тремя атомами германия. Такая связь образует дырочную p – электропроводность и называется акцепторной. Атом индия превращается в неподвижный отрицательный ион. 1.2. Полупроводниковые диоды. Устройство, принцип действия Диодом называется контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной n- электропроводностью, другой с дырочной p-электропроводностью. На рис. 1.6 изображены: структура диода и его условное обозначение. Диод имеет два электрода анод и катод, где (–) - катод, (+) - анод.   Рис. 1.6. Структура диода и его условное обозначение Диффузия свободных электронов и свободных дырок образует тонкий пограничный слой с разностью потенциалов, называемой напряженностью электрического поля EП. Пограничный слой обладает бесконечным сопротивлением и называется запирающим p-n-переходом. При отсутствии внешнего электрического поля ток через p-n-переход равен 0. Наличие внешнего электрического поля EB, подключенного к диоду, зависит от его полярности. Если внешнее электрическое поле EB, направлено по направлению EП (рис. 1.7), то миллиамперметр покажет небольшой обратный ток  0. Ток через диод не проходит, так как сопротивление пограничного слоя равно бесконечности. Рис. 1.7. Опытная проверка закрытого состояния диода Если внешнее электрическое поле EB, направлено противоположно направлению EП (рис. 1.8), то миллиамперметр покажет прямой ток  . Ток через диод проходит, так как сопротивление пограничного слоя незначительно.  Рис. 1.8. Опытная проверка открытого состояния диода На рис. 1.9 изображена схема питания диода через нагрузочное сопротивление.  Рис . 1.9. Электрическая цепь с диодом и нагрузкой Вольтамперная характеристика диода (рис 3.10) показывает, что диод обладает односторонней проводимостью и пропускает ток только в прямом направлении.  Рис. 1.10. Вольтамперная характеристика диода Полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, светодиоды и фотодиоды. Выпрямительные диоды используют в выпрямителях для выпрямления переменных токов частотой 50Гц ÷ 50кГц. Импульсные диоды используют для выпрямления токов при импульсах микросекундной и наносекундной длительности. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения. На рис. 1.11 изображена вольтамперная характеристика стабилитрона, которая показывает, что стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется при обратном напряжении в предельных границах обратного тока.  Рис. 1.11. Вольтамперная характеристика стабилитрона На рис. 1.12 приведена схема простейшего стабилизатора напряжения, в котором питающее напряжение U = IR + Uст, а общий ток I = Iст + Iн. Здесь изменяется ток I на ограничительном сопротивлении R за cчёт изменения тока Iст, проходящего через стабилитрон. При этом нагрузочный ток Iн и напряжение на нагрузке Uст не изменяются.  Рис. 1.12. Схема простейшего стабилизатора напряжения Светодиодами называют электронные приборы, которые излучают свет при прохождении через них тока в прямом направлении. Основным параметром светодиода является яркость свечения при токе  и напряжении  . На рис. 1.13 приведена схема подключения светодиода к источнику питания.  Рис. 1.13. Схема подключения светодиода к источнику питания |