Электроника

п/п приборы

п/п -материал ,удельная проводимость которого сильно зависит от внешних факторов –кол-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 другуÞ электронное облако перекрываетсяÞ смещение энергетических уровнейÞ образуются целые зоны уровней.

Е

Разрешенная

Запрещенная зона

d

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

2)верхняя заполненная зона наз – валентной.

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

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

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

êЕ=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 «Ge»

При Т=0К

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

Обратный процесс наз – рекомбинацией

n – электронная проводимость

p – дырочная проводимость

t - время жизни носителя заряда (е).

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

d=dn+dp=qmnrn+qmprp

где: r-концентрация

m-подвижность =u/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 – R зависит от светового потока

применяют в сигнализации, фотоаппаратуре

4)Тензорезисторы – R зависит от механич деформаций

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

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

В п/п имеется 4 составляющие тока:

i=(i_n)_Д+(i_p)_Д+(i_n)_Е+(i_p)_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 2^х Ge с различными типами проводимости.

р

n

Обычно переходы изготавливают несемметричными p_p>> << n_n

Если p_p>> n_n 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 _{контакта}≈j_тln((Pp₀)/(np₀))

j_т≈25мB температурный потенциал при 300 К

U_к=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 U_внпадает =>возникает диф. ток электорнов I=I₀ e^U/mjт

m ≈ 1 Ge

2 Si I₀ тепловой ток.

I обусловлен основными носителями зарядов. Кроме него ток неосновных носителей будет направлен встречно.: I= I₀(e^U/mjт-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 ≈1/√U

Диффузионный ток имеет место при прямом смещении p-n перехода C_д=dQ_изб/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 ≈ 10 I₀

П/п диоды.

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

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

ВАХ

r=∆U/∆I

чем < тем лучше

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

Кст.=(∆Е/Е)/(∆U/Uн) ТКН – температупный коэффициент U=(∆U/U)/ ∆t≈0,0001%

5)Стабистор – предназначен для получения малых стабильных напряжений

в них исп. прямая ветвь ВАХ

КС07А U=0,7B

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

7)Тунельный диод ВАХ имеет участок «-» R

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

8) Обращенный диод – это разновидность тунельного - в нем нет «-» 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 – оба перехода закрыты, обратно смещены

2.)Насыщения – оба перехода смещены прямо

3.)Активный режим – эммитеры прямо, колектор обратно

4)Активно инверсный – эммитеры обратно, колектор прямо

Активный режим. Физика работы.

Iк=aIэ+Iко Iко-обратный ток колектора, a-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=bIб +(Uкэ/r*к)+I*к₀ b-коэффициент передачи Iб

b=a/1-a

2)ОБ

Iк=aIэ+I к₀+(Uкб/rк) r*к=( rк/1+b) I*к₀=I к₀(1+b)

Малосигнальная эквивалентная схема замещения транзистора

1)ОЭ

rк≈100 Ом rэ=dUбэ/dIб | Uк- const

rэ=2jt/Iэ⁰ =(Si)≈50мВ/ Iэ⁰

r*к=dUкэ/dIк | Iб- const ≈100кОм

Ск*=Ск(1+b) ≈ 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 a и b

fср=fсрa/b – для b

h –параметры транзистора

ΔU₁=h₁₁ΔI₁+h₁₂ ΔU₂

ΔI₂=h₂₁ΔI₁+h₂₂ ΔU₂

h₁₁= ΔU₁/ ΔI₁ │ΔU₂=0 – входной сигнал

h₁₂= ΔU₁/ ΔU₂ │=μ=0 – коэф. обр. отриц. внутр.связи

│ΔI₁=0

h₂₁= ΔI₂/ ΔI₁ │ ΔU₂=0 – коэф усиления I

h₂₂= ΔI₂/ ΔU₂ │=1/rк выходная проводимость

│ΔI₁=0

Связь h-параметров с собственными параметрами транзистора

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

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

«-»-малая крутизна

ПТ с p-n переходом

Структура и работа.

ВАХ: выходная

rc=ΔUcч/ΔIc

Uзи=const(отсечки)

≈10-100кОм

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

r_к=1/s “+”высокое Rвх 10^12…14 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 – динистор и 3-х электродные – тринистор.

Динистор: структура и работа

Если преложить «+» 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 «+» 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 =>

«+» - нет влияния электромагнитных помех

-полная эл. развязка

-широкий диапозон частот

-согласование цепей

«-» нельзя свет преобразовать в механическое движения

Основной элемент – оптрон -> пара с фотонной связью

ИС - источник света, ФП – 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 )

«+» - 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/mjT-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(jω)=ΔUвх(jω)/ΔUвх(jω)

АЧХ-│К(jω)│ ФЧХ-argК(jω)

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 К_усил.

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)

2)Коэффициент гармонических искажений

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

γ=U₁/e_c½U2=0

b=U₁/U₂½ e_c =0 U₂=KU1

Koc=U₂/ e_c =KU₁/ e_c

U₁= e_c γ +bU₂= e_c γ +bKU₁

U₁=( e_c γ /1-Kb)

Koc=(K γ /1-Kb)=K γ /F=K γ /(1-T)

F- глубина ОС (½F½<1 - ПОС, ½F½>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=(-γК/1+Kb)= -γ/((1/k)+b)»-γ/b (так как на входе «-»)

γ=R₂/(R₁+R₂) b= 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+Кххb)+R_b»RвхF

Rвх увеличивается в глубину раз.

Если ООС параллельная то Rвхос»Rвх||(R_b/F)» R_b/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 –Емкостная -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(jω)=U2(jω)/U1(jω)

АЧХ=½К(jω)½ ½Z½=Ö(a²+b²)

ФЧХ=argК(jω) argZ=arctg(b/a)

Xc=1/ jωc

K(jω)=Z₂/(Z₁+Z₂)=R/(R+(1/ jωc))=RjωC/(Rjωc+1)=

+=ωt/jωt+1=½ К(jω)½= ωt/Ö1+( ωt)²

argК(jω)=arctg∞= arctg(jω)= π/2- arctg(ωt)

АЧХ

1 1

ФЧХ -p/2

p/2

Интегрирующая

К(jω)=Z₂/(Z₁+Z₂)=(1/jωc)/(R+1/(jωc)=1/(Rjωc+1)=

=1/(jω t+1)

К(jω)=1/√(1+( ω t)²)

arctg K(jω)=arctg0-arctg ω t= - arctg ω t