Электроника. Курс лекций - часть 1

W

X

Зона проводимости

Запрещенная зона

Валентная зона

W

Курс лекций по дисциплине: 

Электроника.

  

   

Введение

Электроника  –   отрасль   науки   и   техники,   занимающаяся   изучением   физических

основ   функционирования,   исследованием,   разработкой   и   применением   приборов,
работа которых основана на протекании электрического тока в твердом теле в вакууме
и газе.

Если   электрический   ток   протекает   в   твердом   теле,   то   имеет   место

полупроводниковая электроника, если в вакууме - вакуумная (ламповая) электроника,
если   в   газе   -  ионная   электроника.   Сейчас   99   %   составляет  полупроводниковая
электроника, поэтому уделим именно ей особое внимание.

По области использования (применения) электроника классифицируется:

1. Информационная электроника

Образуют устройства для получения, передачи, обработки и отображения 
информации (усилители, счетчики, дешифраторы, логические схемы и т. 
д.)

2. Энергетическая электроника

Занимается преобразованием одного вида энергии в другой (выпрямители,
стабилизаторы, фильтры, множители напряжения и т. д.)

Электропроводность полупроводников

Такая   схема   характерна   для   полупроводников   и   диэлектриков.   Качественного

отличия между ними нет, но есть количественное отличие - ширина запрещенной зоны
(у диэлектриков она >>, чем у полупроводников).

При T = 0 K, если приложить электрическое поле, то тока не будет, т. к. электронам

некуда переходить.

Если T >> 0 K (300

 

K), то в полупроводниках этой температуры будет достаточно,

чтобы некоторые электроны перешли из валентной зоны в зону проводимости.

Процесс   образования   пары   электрон-дырка   под   действием   тепловой   энергии

называется термогенерацией.

Процесс, обратный термогенерации, и состоящий в уничтожении пары электрон-

дырка, называется рекомбинацией.

Пусть n - концентрация электронов, а p - концентрация дырок. Электропроводность

где n=p называется собственной.

Время,   которое   электрон   находится   в   зоне   проводимости,   называется  временем

жизни электрона.

Расстояние,   которое   электрон   проходит   за   время   жизни,   называется  длинной

свободного пробега. 

X

Зона проводимости

Валентная зона

W

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

P

W

n

W

X

Зона проводимости

Запрещенная зона

Валентная зона

W

У Ge W = 0.72 ЭВ - использовались в полупроводниках раньше.
У Si W = 1.12 ЭВ - используются в полупроводниках теперь.
У полупроводников имеет место температурная зависимость, что нехорошо (у ламп

температурной зависимости нет).

У диэлектриков  W  = 4 ЭВ. При больших температурах диэлектрики становятся

полупроводниками, а при низких - полупроводники диэлектриками.

У металлов нет запрещенной зоны. 

Металлы   проводят   электрический   ток   и
при T = 0 K.

Собственная проводимость:

Имеем   электроны   проводимости   и   дырки
проводимости.

Примесная проводимость (донорная):

Электроны удерживаются двумя силами: ковалентная связь и внутриатомная связь

Si

Si

Si

Al

W

p

W

X

Зона проводимости

Запрещенная зона

Валентная зона

W

p

p

n

p

n

n

p

n

p

n

X

Концент
рация

E



0

p

n

X

Концент
рация



+



+



+






+



+







Здесь: W

n

 << W, 

           n

n

 >> p

n

.

При  T  = комнатной температуре  n

n

  >>  p

n 

, т.е. из дополнительного уровня электроны

переходят в Зону проводимости, но из Валентной зоны электроны перейти не могут.
Когда n

n

 >> p

n

 полупроводник называют донорным (или электронным).

Примесная проводимость (акцепторная):

Здесь: W

n

 >> W, 

           n

n

 << p

n

.

Когда n

n

 << p

n

 полупроводник называют акцепторным (или дырочным).

Электронно-дырочный переход

До контакта:

Создаем контакт:

На   границе   возникает   диффузия
дырок   из  p-области   в  n-область   и
электронов из  n  в  p  под действием
градиента концентрации.
 



  I 

p

диф

  -

дырочный
диффузи-

онный ток.

U

E

p

n



+



+



+






Источники
включены
встречно



0



0

+U



0

-U

I

0

U

I

д



0

идеально

пробой



 I 

n

диф

 - электронный диффузи-

       онный ток.



 I 

p

др

   - дырочный дрейфовый

                    ток.



 I 

n

др

   - электронный дрейфовый

       ток.



0 

(Ge)  0.30.4 В



0 

(Si)  0.70.8 В

Приложим внешнее напряжение: 

Происходит сужение области объемного заряда под действием внешнего напряжения.
При U = 

0

 объемный заряд исчезает.

I 

p

диф

 и I 

n

диф

 увеличивается:



 I 

p

диф

 



 I 

n

диф

 



 I 

p

др

   



 I 

n

др

  

I 

диф

 >> I 

др

 и затем I 

др

  0.

При обратной полярности E: 
Область объемного заряда увеличивается.
I 

диф

  уменьшается, но при  U    I

  др

. Но область увеличивается, а длина свободного

пробега остается постоянной и, следовательно, все меньше носителей в состоянии эту
область преодолеть.
Таким   образом,  I 

др

  останется   (приблизительно)   на   прежнем   уровне   (не   зависит   от

внешнего напряжения). 

Полупроводниковые диоды

Диод  -   полупроводниковый   прибор   с   одним  p-n  переходом   и   двумя   выводами   для
подсоединения к внешней цепи.
Условное обозначение:

Математически   ВАХ   диода
описывается выражением:

1)

(e

I

I

т

u

0

д







При U << 0, I

д

 = - I

0

R

р

R

n

P

т

 = I

обр

 U

обр

R

n,p

концентрация
пар электрон-
дырка возрастает

P

т

 - тепловая мощность,

кот. выделяется на p-n
переходе

U

I

U

I



0



0

R

0

U

I

реальный диод

ид. диод



0

реальный диод

ид. диод



0

R

0



T

 - тепловой потенциал 

       (постоянный при посто- 
        янной температуре)

Идеальный диод:

R

0

 = R

p

 + R

n

Пробой  - процесс значительного уменьшения обратного сопротивления  p-n  перхода
при возрастании обратного тока.

Механизм теплового пробоя:

Идеализация p-n перехода:
1.
U

> 0, R

диода

 = 0

U

< 0, R

диода

 = 

2.
В

случае данной идеализации реальный диод заменяется:

U

<  

0

,   ид.

диод   закрыт,

R

д

 = 

   U > 

0

, ид. диод открыт, R

д

 = 0

3.
В

случае данной идеализации реальный диод заменяется:

U<0

p

n



+



+



+






t

U

t

I

C

б

R

д. обр

p

n

+





t

U

t

I

I

0

за счет того, что
эл-ны и дырки
повернули



+

+



Uвх

Д

R

н

P-n переход представляет собой еще и конденсатор.
В p-n переходе выделяют 2 вида емкости:

1. Барьерная емкость

Изменение   тока   обусловлено
перезарядом емкости.
Емкость,   обусловленная   изменением
объемного заряда при отрицательном
U называется барьерной.

Если  |U|, то C

б

 

Эквивалентная схема при обратном напряжении на диоде:

2. Диффузионная емкость

Пример выпрямителя:

+



Д



+

Д

+



t

U

вх

t

U

д

t

U

Rн

U

ср

Выброс тока
(из-за диф. емкости)

T

1

T

2



0

U

I

T

2

 > T

1

Положительная полуволна:
 

R

д. пр

  0

      

U

Rн

  U

вх

Отрицательная полуволна:
    R

д. обр

 >> R

н

    U

д

  U

вх

   U

R

н

  0

          

m

m

π

0

m

ср

 U

0.318

π

U

dt

t 

sinω

U

U









Диод явл. частотно-зависимым элементом.
Если , то выброс тока увеличивается

   U

ср

 и U

ср

  0.

Максимальная рабочая частота f

max

 - это частота,  на которой U

ср

 уменьшается на 30 %

по сравнению с первоначальным значением.

ТКН - температурный коэффициент напряжений.

0

ΔT

ΔU

ТКН

const

I







На выпрямительных диодах строится ограничители, когда на выходе нужно получить
напряжение специальной формы.

+



t

U

вх

t

U

д

t

U

Rн

3 В

-5 В

-8 В

-3 В

8 В

+



Uвх

Д

R

н

б

R

н

R

б

R

m

U



б

R

н

R

н

R

m

U



t

U

Rб

t

U

Rн

Uвх

Д

R

н

R

б

U

ст

I

ст. min

U

I

I

ст. max

1 кОм

Uвх

Ст

R

н

R

б

11 кОм

U

вых

t

U

вх

t

U

Rн

8 В

12 В

Стабилитрон

Стабилитрон

 

характеризуется

неизменным напряжением в области
пробоя   и  

  способностью

поддерживать   состояние   пробоя
длительное время при ограничении протекающего через p - n переход тока.
Условное обозначение:

ВАХ стабилитрона:

I

ст.  max

  -   Максимальный

ток   до   которого
стабилитрон

 

не

нагревается и сохраняет
работоспособность

Стабилизация напряжения