Электроника

п/п приборы

п/п -материал ,удельная проводимость которого сильно зависит от внешних факторов тАУкол-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 другу⇒ электронное облако перекрывается⇒ смещение энергетических уровней⇒ образуются целые зоны уровней.

     Е

  Разрешенная

  Запрещенная зона

                                                                                 d

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

2)верхняя заполненная зона наз тАУ валентной.

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

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

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

               кЕ=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 ВлGeВ»

При Т=0К

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

Обратный процесс наз тАУ рекомбинацией

n тАУ электронная проводимость

p тАУ дырочная проводимость

τ - время жизни носителя заряда (е).

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

     δ=δn+δp=qμnρn+qμpρp

где: ρ-концентрация

        μ-подвижность =υ/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 тАУ R зависит от светового потока

применяют в сигнализации, фотоаппаратуре

4)Тензорезисторы тАУ R зависит от механич деформаций

применяют для измерения деформаций различных конструкций (датчики давления тАУ 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 тАУp типа,  а с электоронной проводимостью тАУ n типа.

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

В п/п имеется 4 составляющие тока:

i=(in)Д+(ip)Д+(in)Е+(ip)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  2х Ge  с различными типами проводимости.

   р

                                                                               n

Обычно переходы изготавливают несемметричными pp>>     << nn

Если pp>> nn 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 контактатЙИφтln((Pp0)/(np0))

φттЙИ25мB температурный потенциал при 300 К

Uк=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 Uвнпадает =>возникает диф. ток электорнов  I=I0 eU/mφт

m  тЙИ  1 Ge

          2 Si             I0 тепловой ток.

I  обусловлен основными носителями зарядов. Кроме него  ток неосновных носителей будет направлен встречно.: I= I0(eU/mφт-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 тЙИ1/тИЪU

Диффузионный ток имеет место при прямом смещении p-n перехода      Cд=dQизб/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) I0 тЙИ 10 I0

П/п диоды.

Прибор с 1м  p-n переходом и 2мя 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 тАУ 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 тАУ диод на основе перехода металл ->п/п, быстродействующий. Uпр.=0,5В, ВАХ не отличается от экспоненты в диапазоне токов до 1010

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

ВАХ

                                                        r=тИЖU/тИЖI

                                                             чем < тем лучше

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

Кст.=(тИЖЕ/Е)/(тИЖU/Uн) ТКН тАУ температупный коэффициент U=(тИЖU/U)/ тИЖtтЙИ0,0001%

5)Стабистор тАУ предназначен для получения малых стабильных напряжений

                                           в них исп. прямая ветвь ВАХ

                                            КС07А       U=0,7B

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

7)Тунельный диод   ВАХ имеет участок Вл-В» R

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

8) Обращенный диод тАУ это разновидность тунельного - в нем нет Вл-В» 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 тАУ оба перехода закрыты, обратно смещены

2.)Насыщения тАУ оба перехода смещены прямо

3.)Активный режим тАУ эммитеры прямо, колектор обратно

4)Активно инверсный тАУ эммитеры обратно, колектор прямо

Активный режим. Физика работы.

Iк=αIэ+Iко    Iко-обратный ток колектора, α-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=βIб +(Uкэ/r*к)+I*к0     β-коэффициент передачи Iб

                                            β=α/1-α

2)ОБ

Iк=αIэ+I к0+(Uкб/rк)      r*к=( rк/1+β)      I*к0=I к0(1+β)

Малосигнальная эквивалентная схема замещения транзистора

1)ОЭ

rктЙИ100 Ом        rэ=dUбэ/dIб  | Uк- const

rэ=2φτ/Iэ0 =(Si)тЙИ50мВ/ Iэ0

r*к=dUкэ/dIк  | Iб- const     тЙИ100кОм

Ск*=Ск(1+β)  тЙИ  5-15мкФ 

2)ОБ

rэ=dUбэ/dIэ  | Uк- const

r*к=dUкб/dIк  | Iэ- const    

Частотные  свойства транзистора

Зависят от емкостей транзистора, межэлектородных емкостей, и от коэффициентов α и β

fср=fсрα/β    тАУ для β

h тАУпараметры транзистора

ОФU1=h11ОФI1+h12 ОФU2

ОФI2=h21ОФI1+h22 ОФU2

h11= ОФU1/ ОФI1    тФВОФU2=0 тАУ входной сигнал

h12= ОФU1/ ОФU2        тФВ=Ој=0 тАУ коэф. обр. отриц. внутр.связи

тФВОФI1=0

h21= ОФI2/ ОФI1        тФВ ОФU2=0 тАУ коэф усиления I

h22= ОФI2/ ОФU2        тФВ=1/rк  выходная проводимость

тФВОФI1=0

Связь h-параметров с собственными параметрами транзистора

	ОБ	ОЭ
h11	rэ+rб(1-О±)	rб+rэ(1+ОІ)
h12	0	0
h21	О±	ОІ
h22	1/rк	1/rк*=(1+ ОІ)/rк

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

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

Вл-В»-малая крутизна

ПТ с p-n переходом

Структура и работа.

ВАХ: выходная

rc=ОФUcч/ОФIc

Uзи=const(отсечки)

тЙИ10-100кОм

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

rк=1/s  тАЬ+тАЭвысокое Rвх 1012тАж14 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 тАУ динистор и 3-х электродные тАУ тринистор.

Динистор: структура и работа

Если преложить Вл+В» 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 Вл+В» 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 =>

Вл+В»        - нет влияния электромагнитных помех

       -полная эл. развязка

       -широкий диапозон частот

       -согласование цепей

Вл-В»        нельзя свет преобразовать в механическое движения

Основной элемент тАУ оптрон -> пара  с фотонной связью

ИС - источник света, ФП тАУ 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 )

Вл+В» - 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/mφT-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(jПЙ)=ОФUвх(jПЙ)/ОФUвх(jПЙ)

АЧХ-тФВК(jПЙ)тФВ         ФЧХ-argК(jПЙ)

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  Кусил.

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)

	N
	∑ U2mn
Кни=√	n=2
N
	∑ U2mn
	n=1

2)Коэффициент гармонических искажений

	N
	∑ U2mn
Кги=√	n=2
	U2m1

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

Оі=U1/ec|U2=0

β=U1/U2| ec =0              U2=KU1

Koc=U2/ ec =KU1/ ec

U1= ec Оі +βU2= ec Оі +βKU1

U1=( ec Оі /1-Kβ)

Koc=(K Оі /1-Kβ)=K Оі /F=K Оі /(1-T)

     F- глубина ОС (|F|<1 - ПОС,   |F|>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=(-ОіК/1+Kβ)= -Оі/((1/k)+β)≈-Оі/β  (так как на входе Вл-В»)

Оі=R2/(R1+R2)        β= 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+Кххβ)+Rβ≈RвхF

Rвх увеличивается в глубину раз.

Если ООС параллельная то Rвхос≈Rвх||(Rβ/F)≈ Rβ/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    тАУЕмкостная    -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(jПЙ)=U2(jПЙ)/U1(jПЙ)

АЧХ=|К(jПЙ)|                |Z|=√(a2+b2)

ФЧХ=argК(jПЙ)                argZ=arctg(b/a)

Xc=1/ jПЙc

K(jПЙ)=Z2/(Z1+Z2)=R/(R+(1/ jПЙc))=RjПЙC/(RjПЙc+1)=

+=ПЙτ/jПЙτ+1=| К(jПЙ)|= ПЙτ/√1+( ПЙτ)2

argК(jПЙ)=arctgтИЮ= arctg(jПЙ)= ПА/2- arctg(ПЙτ)

АЧХ

        1                                             1

ФЧХ                                          -π/2

    π/2

Интегрирующая

К(jПЙ)=Z2/(Z1+Z2)=(1/jПЙc)/(R+1/(jПЙc)=1/(RjПЙc+1)=

=1/(jПЙ τ+1)

К(jПЙ)=1/тИЪ(1+( ПЙ τ)2)

arctg K(jПЙ)=arctg0-arctg ПЙ τ= - arctg ПЙ τ

Вместе с этим смотрят:

Электронное устройство счета и сортировки
Электронные вольтметры
Энергетический расчет спутниковой линии связи для передачи телевизионных сигналов
Эффект Ганна и его использование в диодах, работающих в генераторном режиме