Электроника УрТИСИ

2010

читает
Паутов Валентин Иванович
Электроника
Дисциплина учебного плана

устройств, которые используются для передачи, обработки и хранения информации
Электроника

Физические основы электроники. - Физика. - Математика. - Основы теории цепей. Естественным

Электроника

интерактивных программ Multisim и MathLab;
− Проводить расчёты электрических режимов

Электроника

7

в электронных приборах, их устройство, характеристики и параметры;
Уметь:
−

направления «Телекоммуникации».

Рабочая программа курса Электроника, утвержденная методическим советом
ГОУ ВПО

Миловзоров, И.Г. Панков. М.: Высшая школа, 2004.
2. Лачин В.И., Савелов

Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Выс. школа,

Курс завершается экзаменом.

Курс завершается экзаменом.

теории цепей
Основы схемотехники
Электропитание
устройств и систем
Курсы специальности
Электроника

Физические принципы работы полупроводниковых приборов основаны на явлениях электропроводности в

По способности проводить электрический ток все вещества делятся на три класса:

Проводники
Диэлектрики
Полупроводники

Тема 1.
Физические основы электроники

18

переходят из зоны в зону и становятся свободными носителями электрического

Проводники

19

Диэлектрик

значительной ширины, поэтому электроны не могут переходить из

20

εз

Валентная зона

Свободная зона

вещества, удельная электропроводность которых при температуре 20ºС составляет
Полупроводники

Валентная зона
Свободная зона
εз

промежуточное значение между проводниками и диэлектриками.
Полупроводники
22
Для полупроводниковых материалов, которые наиболее

Для сравнения εз для диэлектриков составляет до 5 эВ.

зависимость электропроводности от:
Изменения температуры;
Количества и природы введённых примесей;

23

в т.ч. возможна в том случае, если электрон в валентной

большой энергией и могут её изменять под действием электрического поля,

25

внешней оболочки атомов – внешних устойчивых орбит (валентными электронами).

26

вследствие наличия специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных

27

с каждым соседним атомом общей орбитой, причём на этой орбите

Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, то он использует эти электроны для
связи с четырьмя соседними атомами, которые, в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырёх соседних атомов.

28

валентной зоне.
Электроны во всех связях будут присутствовать

29

электроны получают дополнительную энергию достаточную для перехода в зону проводимости.
Такой

30

вакантного места в валентной зоне на энергетической диаграмме представлено в

для валентных электронов изменять свою энергию, а следовательно, участвовать в

32

соответственно свободную валентную связь называют дыркой, которая является подвижным носителем

33

генерацией.

Основным источником дополнительной энергии для электрона является температура.

34

два типа подвижных носителей заряда: свободные электроны n-
и дырки

35

для создания высокоомных изоляционных слоев в полупроводниковых структурах.

36

t0

Rt

то к собственной электропроводности добавляется электропроводность примеси.

элемента (например фосфора), четыре из пяти валентных электронов вступят в

Донорный полупроводник

38

Донорная примесь

Пятый электрон примесного атома будет в данном случае избыточным.
Он окажется очень слабо связанным со своим атомом.

Si

Si

Si

Si

P

−

и становится свободным носителем заряда.
Таким образом, введение

39

n-типа.
Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь являются основными

40

числа атомов основного полупроводника.
Количество атомов составляет N = 1022

валентного кремния атомов трёхвалентной примеси (например, индий), только три

42

в эту связь.
На внешней оболочке акцептора появляется лишний электрон,

43

заряда и их очень много.
Таким образом,

44

в запрещённой зоне
45






-




Свободная зона
-
-
ЕА















Валентная

-

-

ЕД

Е

Е

ЕF

процессами: диффузией и дрейфом.
Если в полупроводнике носители заряда,

1.2.3 Причины движения носителей заряда

внешних факторов нарушается равномерность концентрации, то происходит диффузия – выравнивание

поля Е называется дрейфом.
Если имеются носители заряда и

+Е

- Е

+

-

μ. (читается мю).



1.2.4 Параметры полупроводниковых

49

μn > μp.
Наибольшая подвижность наблюдается у электронов в

50

τ (читается тау).
Временем жизни носителя заряда называется время

51

следующим соотношением:
D = φт μ,
где φт =kТ/q – температурный потенциал;

52

с целью изменения каких-либо его свойств, называется легированием.

53

Менделеева:
2. К полупроводниковым материалам относятся элементы:
3.На внешней электронной орбите у

54

наибольшая?
7. Энергетические уровни доноров (электронов) находятся:
8. Энергетические уровни акцепторов (дырок)

54

находится уровень Ферми в проводниках:
13. Куда смещается уровень Ферми в

55

приборов основана на явлениях, возникающих в контакте между областями полупроводников

Тема 2. Полупроводниковые диоды

62

одна из которых имеет электропроводность р-типа, другая – n-типа,

р-n-переход

63

место соединения является идеальным, внешнее электрическое поле отсутствует.

65

структуре имеется неравномерность концентрации подвижных носителей заряда каждого знака.
65

дырки заряженные положительно и неподвижные отрицательные ионы

-

-

-

-

+

+

n

-

66

Оставить свободное место

перемещаться в p-область,
а дырки из р-области – в n-область.

Процессы в p-n-переходе

67

-

-

-

-

+

+

n

-

нескомпенсированные заряды неподвижных ионов.
Эта область и есть область p-n-перехода.

67

зарядом. В р-слое образовался слой отрицательного заряда.
Эти

67

напряжённостью Е0 и приводит к появлению внутри полупроводника потенциального барьера

58

-

-

-

-

+

+

n

-

l

0

φ0

+

−

Область
p-n-перехода

переход – дрейфовый ток, направленный навстречу диффузному току
Появление диффузного тока

58

Iдр = IДРр + IДРn

В конце концов эти токи сравняются

IДР = IДИФ

положительных и отрицательных зарядов, т.е. отрицательный заряд левой части должен

61

слое.
61




-


-


-


-


+


+
n
-
+
-
слаболегированный слой
l0
Протяженность p-n-перехода оценивают параметром l0

(контактная разность потенциалов) φ0, которую выражают в вольтах (В).

61

p-n-переходу внешнее напряжение U плюсом (+) к p-, а (-)

Внешнее напряжение окажется приложенным в основном к p-n-переходу как к участку с наибольшим сопротивлением.

Прямое включение p-n-перехода

62

RP

Rp-n

Rn

Rp-n>>

Rn

+U

−U

P-

n-

полем Е0.
В результате высота потенциального барьера снижается

φ

φ

потенциального барьера, увеличивается.
Увеличивается диффузионная составляющая тока Iдиф через

79

В каждой области появляются дополнительные избыточные концентрации неосновных для данной области носителей.
При этом нарушается условие равновесного состояния.

основных носителей, можно отметить, что величина дрейфового тока Iдр этих

80

Носители собственной электропроводности также начнут встречное движение, образуя дрейфовый ток.

за счет источника внешнего напряжения.
Ушедшие из р-слоя дырки восполняются

81

U

-

+

Iпр

+

-

p-

-

E

0

+

+

+

+

прямым током IПР.

82

уменьшению объёмного заряда и уменьшению длины запирающего слоя l0.
83


n
-
l
0
+
-
+UПР
-UПР

для которой они являются неосновными, называется инжекцией.
Он характеризуется коэффициентом

где Ip и In – токи инжекции дырок и электронов соответственно.

В большинстве случаев Ip >> In и
γ ≈ 1.

84

U (+) к n-области. При этом высота потенциального барьера

что приведёт к уменьшению диффузионной составляющей тока через p-n-переход

U

-

+

I

обр

+

-

p

+

n-

E

0

φ0

U

85

+

−

от высоты потенциального барьера.









Uобр
-
+
I
обр

+
-
p
+
n-
E
0


86
Через переход потечёт ток неосновных

Внешнее напряжение при таком подключении далее будем называть

87

много больше обратного тока
Iпр >> Iобр можно говорить об

88

p-n-переходе возрастает.
Поэтому возрастает заряд электрического слоя, а также ширина

89

n-

l

0

+

-

-UОБР

+UОБР

называется экстракцией.
Далее символом р+- будем обозначать

90

U Е0

− + − +

(Е0 +U)

при подключении внешнего напряжения разной полярности.
При включении

При включении перехода в обратном направлении течёт обратный ток, слабо зависящий от напряжения, но сильно зависящий от температуры.
Поэтому этот ток называют также тепловым IT.

91

от приложенного к нему напряжения хорошо описывается экспоненциальной зависимостью
(1)





75

заряд электрона,
T – температура,
I0 – обратный ток.
При T = 293ºК

(2)

75

Uобр > (0,1 ÷ 0,2)B
ВАХ p-n-перехода
76

нему напряжения, выраженная в графическом виде, называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

На основании выражения можно построить ВАХ
p-n-перехода

U* - напряжение
отпирания
p-n-перехода

I

пр

Ge

Si

20

C

U

пр

U

*

0,2

0,4

0,6

I

0

I

обр

U

B

обр

о

B

77

1)

единицы-десятки микроампер.
Таким образом
Свойство односторонней электропроводности
p-n-перехода

79

носители заряда.
Изменение прямого напря-
жения на p-n-переходе приводит к изменению

Диффузионная емкость p-n-перехода

С

U

U

пр

обр

Диффузионная

Барьерная

∂

U

∂

Q

=

Cд

д

80

как действие некоторой ёмкости.
Поскольку носители заряда

100

под действием приложенного напряжения.


С
UОБР
Барьерная
101

n
-
l
0
-UОБР
+UОБР
i-область

тока меняется и количество нескомпенсированных ионов в i-области, т.е. меняется

102

Поэтому p-n-переход можно рассматривать как систему из двух проводящих плоскостей, разделённых диэлектриком, т.е. как плоский конденсатор.

разделённых диэлектриком, т.е. как плоский конденсатор.
-Uобр
+Uобр

увеличения обратного тока I0 при увеличении обратного напряжения Uобр


Пробой

Электрический

Туннельный

Лавинный

Тепловой

104

поля в р-n- переходе. Тепловые пробои связаны с увеличением

Пробой

Электрический

Тепловой

105

При пробое сопротивление
p-n-перехода уменьшается, а ток резко возрастает.



Электрический

Туннельный




U
обр




I
обр
Электрический
Тепловой
106

в лавинном размножении носителей заряда в сильном электрическом поле под

Электрический

Лавинный

I

U

U

пр

обр

пр

I

обр

Электрический

107

p-n-перехода уменьшается.
U
обр
108
Р+
n
p-n-переход

сильной степени зависят от температуры, которая является основным источником энергии

109

изменениями тока I0 и температурного потенциала φТ.
110



I
UПР
Uобр
пр
Iобр




I
I0
70
20
C
о
∆UПР

пр
При

∆t= (70-20)0C

t

сторону меньших напряжений.
111

концентрацией неосновных носителей.
С повышением температуры их концентрация

112

где I0(t) и I0(t0) – обратные токи при рассматриваемой и комнатной температурах;
Δt = (t – t0) – изменение температуры;
α = (0.07 ÷ 0.13) 1/градус.

I0(t) = I0(t0)∙eαΔt

организованы различными средствами и способами.
Электрический переход –

p-n-переход – это электронно-дырочный переход;

113

образуется между областями полупроводника одного типа, но различной концентрации.
Знак

114

обогащённый полупроводник – полупроводник;
115



p-
M
p+-
p-pi-, n-ni- – переход между дырочным

+ U

шириной запрещённой зоны.
Российский академик Ж.Алферов за разработки

116

и содержит один или несколько p-n-переходов.
Полупроводниковые диоды
117
Диоды

ДИОДЫ

выпрямительные

специальные

В зависимости от частоты и формы переменного тока различают:
Выпрямительные диоды
низкочастотные
высокочастотные
импульсные

- явление электрического пробоя, - барьерная емкость, - фоточувствительность и

Б
IПР
Rр-n
++++
──
rб
Большинство диодов выполнено на основе несимметричных p-n-переходов

Э – эмиттер, СП- емкость перехода, Б – база, rб – объемное сопротивление базы (омическое), Rp-n – сопротивление р-n-перехода.

СП

rб. С его учетом прямое напряжение на
p-n-переходе будет больше напряжения

121

(2)

эффект модуляции сопротивления базы. Он заключается в уменьшении сопротивления базы из-за увеличения

122

При больших токах из-за влияния сопротивления rб вольт-амперная характеристика p-n-перехода становится почти линейной.

базы rб
UПР
IПР
0



ΔU = I∙rб

или иных электрических схемах определяется его вольт-амперной характеристикой – ВАХ

124

Зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения, выраженная в графической форме, называется вольт-амперной характеристикой – ВАХ .

форме, называется

U

U

I

R =

I

Oм

•

I = f (U )

может быть получена на основании соотношения
Обратная ветвь

(2)

Статический параметр – параметр, полученный при заданных неизменных условиях.

+
0.3 0.6 0.9
Iпр
UПР
К статическим

Прямая ветвь ВАХ диода

I = f (U )

0.6 0.9
Iпр
UПР
- максимальный допустимый прямой ток

Iпр.доп

РДОП

прямого напряжения на диоде UПР выделяется мощность Р = U∙I

Мощность РДОП = IПРдоп•UПР

ограничена допустимой температурой кристалла и условиями охлаждения.

UОБР.ДОП;
напряжение пробоя UПРОБ.

В
+ +

Iпр

UПР

UОБР.ДОП

UОБР.ДОП

< Uпроб

при

В

+ + +
0.3 0.6 0.9

Iпр

UПР

UОБР.ДОП

UОБР.ДОП

< Uпроб

R0 =

UПР

IПР

- сопротивление диода постоянному току в заданной точке.

)

температуры корпуса диода изменяются его параметры. Наиболее сильно зависят от

температуры оценивается коэффициентом напряжения (ТКН)
∆UПР
∆t
ТКН =−
t
Для оценки влияния

ТКН = - 2 мВ/0С

мВ

0С

+
0.3 0.6 0.9
∆t =(60

t

∆Uпр

∆Uпр

∆t

ТКН = -

t

мВ

0С

в нейтральных p- и n-областях, прилегающих к обедненному слою. Эта составляющая

Для оценки влияния температуры на обратный ток I0 (IT) можно считать, что этот ток увеличивается в 2.5 раза при увеличении температуры на каждые 100С (для Si).

напряжения для температур 40 – 50 0С для кремниевых структур.

IОБР

UОБР

UПРОБ

I0

5
мм
Iпр
Анод
Катод

определения параметров смоделируем схему измерения
VD
I
Iпр
139
Uпр

Изменяя ток источника тока I в заданных пределах, измеряем прямое напряжение на диоде UПР с помощью вольтметра V.

Вольтметр

+

1 5 10 50 100

141

Uпр

Uпр

(mV) 600 625 640 660 665 670 675 680 685

мА

600 650 700 750 mV

1000

750

500

250

в частности синусоидальной формы в постоянное напряжение.

на сопротивлении RН, если на вход подается постоянное напряжение U

Вычислить напряжение на диоде при тех же условиях

U=2 В +

А

RН

U=1 В +

А

Uд

R

RН = 2 Ом, RД = 0

малым сопротивлением базы
и малым временем жизни носителей
2.10 Высокочастотные выпрямительные

p+

Rр-n

+++

rб

Сп

147

Rр-n,
При обратном включении диода
rб

Сп

(2πƒ·Сп)

1

2πƒ = ω

диоды


Rн
U
t
Uпр
t
Iпр
tвосст
Iобр
Iо
tвосст – время
рассасывания неосновных
носителей в базе.
Iпр
148

А

Осц.
=
+
UCM
V

диоды, в которых используются свойства электрического пробоя p-n-перехода (туннельного или

диоде, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон

Основное назначение стабилитронов состоит в получении постоянного стабилизированного напряжения, которое не зависит от изменения входного питающего напряжения и изменениями тока, потребляемого нагрузкой.

ток стабилизации,
Icт.max – максимальный ток стабилизации,
Рдоп – допустимая мощность рассеяния

rСТ =

∆UСТ

∆IСТ

дифференциальное сопротивление
стабилитрона в режиме стабилизации,

- R0 - сопротивление постоянному току,
- ТКН стабилитрона в режиме стабилизации

ξ =

∆Uст

UСТ

1

∆t

100% [%/град]

t

·

138

Стабилитроны

К

Односторонний
Двусторонний
КС168А

Кремниевый стабилитрон, серии 100, напряжение стабилизации равно 6,8 В, разновидности А.

157

Стабилитроны

!

используемый в качестве стабилизатора напряжения, называется стабистор.
Используется

158

Стабилитроны

напряжения,
применяются в схемах защиты нагрузки от перенапряжения.
Uвх +

VD

Rн
Uн
Iн

R0
R0 –

Понятие нагрузки.

o

o

o

o

разработаны термокомпенсированные стабилитроны.
Однако напряжение стабилизации UСТ зависит от

Стабилитроны

159

Такие стабилизаторы называются параметрическими.

UСТ
В

ТКН

3 5 8

в обратном направлении,
VD2 – термокомпенсирующий диод с отрицательным ТКН (-

R0 - сопротивление, ограничивающее ток стабилитрона.

Стабилитроны

160

схема замещения (модель) стабилитрона.
Стабилитроны
161


rСТ
+
–
UСТ
IСТ
UВЫХ


rСТ
+

IН

UСТ

UВЫХ = UП + UCT - IH

rСТ∙R0

rСТ

rСТ + R0

rСТ + R0

R0

rСТ + R0

IСТ

ток нагрузки, если на вход стабилизатора подается постоянное напряжение 10

UП=10 В +

RН = 680 Ом

R0

IH

напряжения стабилизатора.
Стабилитроны
3. Принцип действия стабилитрона и стабистора. Их

прохождения зарядов через p-n-переход.
Он возникает в очень

166

обоих направлениях, создавая ток диода.
167
Р+
n
WF

напряжении Umax ток достигает максимального значения, а затем начинает убывать.

168

Туннельные диоды

Р+

n

WF

нуля и туннельный ток исчезает.
При дальнейшем увеличении прямого

169

Р+

n

WF

электронов через него очень мало (до 10-13 – 10-14 с).

170

Туннельные диоды

Основная особенность туннельного диода состоит в наличии на его ВАХ участка с «отрицательным» сопротивлением.

диоды

нагрузкой и источником постоянного напряжения U.
В

Rн

U+

VD

U-

например синусоидальной формы.
Линия нагрузки диода в генераторном режиме.

Uпр
Iпр

U
РТ
174
U/RH

U должно обеспечивать положение РТ на участке с отрицательным сопротивлением.
Отрицательное

Линия нагрузки диода в генераторном режиме. Она проводится по двум точкам.