Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Анализ простых электронных цепей. От электротехники к электронике. Схемы с диодами и транзисторами

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 631462.01.99
Доступ онлайн
75 ₽
В корзину
Лаппи, Ф. Э. Анализ простых электронных цепей. От электротехники к электронике. Схемы с диодами и транзисторами/ЛаппиФ.Э. - Новосибирск : НГПУ, 2012. - 144 с.: ISBN 978-5-7782-1917-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/546031 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




        Ф.Э. ЛАППИ




                АНАЛИЗ ПРОСТЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ




            ОТ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ К ЭЛЕКТРОНИКЕ



        СХЕМЫ С ДИОДАМИ И ТРАНЗИСТОРАМИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия





НОВОСИБИРСК

2012

УДК 621.38.061(075.8) Л 245



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В.Ю. Нейман, канд. техн. наук, проф. С.М. Кузнецов




Работа подготовлена
на кафедре теоретических основ электротехники для студентов факультета механики и автоматизации



   Лаппи Ф.Э.
Л 245 Анализ простых электронных цепей. От электротехники к электронике. Схемы с диодами и транзисторами : учеб. пособие / Ф.Э. Лаппи. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012.-144 с.

         ISBN978-5-7782-1917-5

           Рассмотрены основные резистивные элементы электронных цепей: диоды, стабилитроны, биполярные и полевые транзисторы, а также простые электронные схемы на их основе. Анализ схем проводится с использованием методов расчета, которые изучались в курсе теоретических основ электротехники, и с применением схемотехнического моделирования.
           Предназначено для самостоятельной работы студентов факультета меха-троники и автоматизации, а также при начальном изучении курса электроники для всех прослушавших базовый курс электротехники в том или ином объеме для высшей школы (для подготовки к дальнейшему более глубокому изучению курса электроники).




УДК 621.38.061(075.8)





ISBN 978-5-7782-1917-5

                     © Лаппи Ф.Э., 2012
                     © Новосибирский государственный



технический университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ

   Назначение настоящего пособия - помочь студентам, освоившим электротехнику, перейти к расчету простых электронных устройств.
   Автор стремился показать, что умение решать задачу анализа электрической цепи, а именно рассчитывать токи и напряжения при заданных характеристиках активных и пассивных элементов цепи с помощью небольшого числа законов (закон Ома, законы Кирхгофа) и методов математического описания электрических цепей является базой для решения задач электроники.
   Большое внимание уделено вольт-амперным характеристикам диодов, биполярных, полевых транзисторов, знание свойств которых является совершенно обязательным для понимания работы любой электронной схемы.
   Во всех случаях автор стремился сочетать качественный анализ работы схем, с аналитическим на базе расчетных моделей, а также с использованием схемотехнического моделирования, позволяющего более глубоко понять суть происходящих явлений в электронных устройствах.
   В работе затронут небольшой круг аналоговых электронных цепей, ведущих непрерывную обработку сигнала.
   Автор надеется, что работа поможет сделать первые шаги от теоретического курса Электротехники в мир Электроники. Рекомендуется широко использовать схемотехническое моделирование схем. При этом следует помнить, что такой анализ - это не только помощь, но и сознательное понимание того, что происходит в схеме, а для этого требуются прочные знания основных законов и методов расчета, изучаемых в курсе электротехники.

Г л а в a 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДВУХПОЛЮСНЫЕ ПРИБОРЫ

   Полупроводниковые приборы - это устройства, работа которых обусловлена электрофизическими явлениями в полупроводниковых материалах.
   Важные свойства полупроводниковых материалов приведены в табл. 1.1

Таблица 1.1

 №                              Свойства                             
п/п                                                                  
 1  Твердая кристаллическая структура                                
    Величина удельного сопротивления полупроводников р = 10 4...     
2   1О10 Ом-см меньше, чем у диэлектриков (р = 1010...1015 Ом-см), но
    значительно больше, чем у металлов (р = 10 6...10 4 Ом - см )    
    Удельное сопротивление полупроводника в значительной степени     
    зависит:                                                         
3   - от электрического поля                                         
    - нагрева                                                        
    - облучения светом                                               
    - внесения примесей                                              
 4  Для изготовления полупроводниковых электротехнических приборов   
    используют германий Ge, кремний Si и арсенид галлия              
 5  Главное отличие полупроводников от металлов - в механизме элек-  
    тропроводности                                                   

4

1.1. СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКА И ПРОЦЕССЫ В НЕМ НА ПРИМЕРЕ ЧИСТОГО КРЕМНИЯ


    Кремний относится к IV группе периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева. Вокруг ядра атома кремния на разных орбитах вращаются 14 электронов. На внешней (незаполненной) орбите находятся 4 электрона, которые наиболее слабо связаны с ядром (рис. 1.1).

-Ядро
<S?)

Эг) Электрон (валентный)

Внешняя орбита


Рис. 1.1. Упрощенная структура атома кремния


   Атомы располагаются в узлах кристаллической решетки и связаны между собой с помощью валентных электронов Э1, Эг, Э₃, Э4. При такой связи, получившей название ковалентной, каждый валентный электрон принадлежит одновременно двум соседним атомам. Плоская картина для одного атома показана на рис. 1.2. Естественно, кристаллическая решетка имеет объемный характер, и при перемещении по внешней орбите валентный электрон последовательно создает ковалентную связь с тем соседним атомом, который в данный момент времени ближе. В момент времени t = t\ Эг создает ковалентную связь с правым атомом, а Э4 - с левым. В следующий момент времени на месте электрона Эг появится электрон Э1 правого ядра и т. д.
   Энергетические процессы, происходящие в полупроводнике, можно описать следующим образом.
   Каждый из четырех валентных электронов обладает энергией W, от величины которой зависит прочность его связи с собственным ядром. При температуре абсолютного нуля все валентные электроны находятся в валентной зоне (рис. 1.3) и целиком участвуют в межатомных связях. Зона проводимости свободна. Следовательно, отсутствуют заряды, которые могли бы создать электрический ток.


5

Электрон (валентный)

Рис. 1.2. Положение валентных электронов в момент вре
Зона проводимости

Запрещенная зона

Валентная зона

Рис. 1.3. Энергетические зоны в полупроводнике

   Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона шириной Д W.
   При повышении температуры часть валентных электронов разрывает ковалентную связь и переходит в зону проводимости, освобождая энергетические уровни в валентной зоне. Электроны, перешедшие в зону проводимости, способны под воздействием внешнего электрического поля создавать ток проводимости. Свободные места в валентной зоне, так называемые дырки, в электрическом и магнитном полях ведут себя как частица с положительным зарядом. Процесс перехода электрона в зону проводимости и образования при этом дырки называется генерацией.
   Возможен и обратный процесс, получивший название рекомбинации, при котором в валентную зону попадает электрон, занимающий при этом место дырки. Проводимость полупроводника тем выше, чем

6

интенсивнее процесс генерации. При этом полная плотность тока в полупроводнике равна сумме плотностей электронной Jₙ и дырочной Jр составляющих: J - Jₙ + Jр . Если в полупроводнике нет примесей, то такая проводимость получила название собственной проводимости. С ростом температуры собственная проводимость растет, но остается достаточно низкой.
   Чистые полупроводники используются довольно редко. Для увеличения числа носителей заряда, а значит, для увеличения проводимости полупроводника применяют легирование примесями. В частности, легирование германия и кремния мышьяком, имеющим пять валентных электронов.
   Атомы мышьяка встраиваются в решетку кремния или германия. Четыре из пяти электронов мышьяка образуют обычные ковалентные связи с возможностью участия в процессе генерации и рекомбинации. Пятый электрон оказывается лишним и начинает хаотическое движение (рис. 1.4). Важно то, что он может легко создавать плотность тока проводимости. В легированном полупроводнике существует и плотность тока, обусловленная наличием дырок.


Внешняя орбита

Pic. 1.4. Ковалентные связи при легировании кремния и германия мышьяком

   Очевидно, что наличие мышьяка привело к избыточному числу, электронов, которые стали основными носителями заряда, т. е. проводимость полупроводника увеличилась.


7

   Следует отметить, что даже при высокой степени легирования проводимость полупроводника ниже, чем у металла, и в отличие от проводимости металлов проводимость полупроводника растет с ростом температуры.
   Примесь (в данном случае мышьяк), способную отдавать электроны, называют донором.
   Если в качестве примеси использовать трехвалентный индий, то картина с носителями зарядов меняется. Все три валентных электрона будут участвовать в ковалентной связи, а в валентной зоне появятся избыточные дырки. Полупроводник в этом случае обладает дырочной электропроводностью p-типа (полупроводник p-типа), а примесь называют акцептором.


1.2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД (р-л-пер еход)


   Монолитный полупроводниковый кристалл (рис. 1.5), одна область которого является полупроводником р-типа, а другая п-типа, обладает уникальными свойствами.

р-область, избыток дырок -основных носителей

ф®®ф ффф®

избыток электронов -основных носителей

неосновной носителей - электрон

дырка - неосновной носителей

Ик: 1.5. Монолитный полупроводниковый кристалл, состоящий из материалов с проводимостями р - и п-типа

   Напомним, что две области находятся в одном кристалле. А так как в одной из них - избыток электронов, а в другой дырок, то начинается диффузия (рассеивание свободно движущихся электронов и дырок). Электроны из п-области пересекают границу и в p-области рекомбинируют с дырками. Около границы в p-области образуется тонкий слой, имеющий избыточный отрицательный заряд. В п-области происходит аналогичный процесс, но только с дырками. Уход дырок из приграничной p-области и электронов из приграничной п-области приводит к образованию в этих областях обедненного подвижными


8

зарядами слоя и появлению нескомпенсированного положительного заряда за счет ионов донорной примеси (в приграничной п-области) и отрицательного заряда за счет ионов акцепторной примеси (в приграничной p-области), рис. 1.6.


Д о
®Ф®0|® Q®® ©©ре © ©ее ® ©eel© ее® граница


Р16 1.6. Двойной электрический слой на границе р-п-перехода

    На границе образуется двойной слой, создающий электрическое поле, вектор напряженности которого Е₀ имеет такое направление, которое стремится ограничить дальнейший переход основных носителей из p-области в п-область и наоборот. Это же поле способствует переходу неосновных носителей через границу. Таким образом, на границе существует ток, вызванный движением основных носителей, получивший название тока диффузии /диф, и ток, определяемый движением неосновных носителей, называемый дрейфовым 1Др. Движение основных и неосновных зарядов идет постоянно, но так как ток диффузии и дрейфовый ток имеют разное направление, то полный ток через границу равен нулю. При этом появляется так называемая контактная разность потенциалов фк, претерпевающая наибольшее изменение на границе. Для германиевых р-п-переходов фк = 0,3...0,4В, а для кремниевых (рк = 0,6...0,8В (рис. 1.7).
    Создадим в кристалле внешнее электрическое поле, напряженность которого Е_. Для этого включим кристалл в замкнутую электрическую цепь (рис. 1.8). При указанном направлении действующей в схеме ЭДС Ет направления векторов напряженности Е_ и£ф противоположны, а следовательно, если Е_0 тормозит движение основных носителей, то Е_ действует наоборот.


9

Рис. 1.7. Контактная разность потенциалов на границе р-и-перехода

Е О

> Е

Рис. 1.8. Прямое включение р-и-перехода

   Очевидно, меняя величину ЭДС, мы будем менять величину напряженности внешнего электрического поля, а следовательно, будет меняться воздействие этого поля на основные и неосновные носители зарядов. В результате меняется величина полного тока через границу. Полупроводник начинает проводить ток.
   При указанной на рис. 1.8 полярности источника ЭДС он способствует движению через границу основных носителей, которых значи

10

Доступ онлайн
75 ₽
В корзину