ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА / лекции эл и эл / 7.ЭЛЕКТРОНИКА

ЭЛЕКТРОНИКА

Отрасль техники, использующая приборы, основанные на управлении явлениями электрического тока в плохопроводящей среде: в полупроводниковых приборах – это ток в твердой среде сложной структуры, обладающей большим удельным сопротивлением.

В электронных приборах – это ток, создаваемый направленным движением электронов, в ионных приборах – ток в пространстве, заполненном разреженным газом или парами металла.

В проводниках концентрация носителей зарядов практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители заряда возникают лишь вследствие поглощения энергии внешнего источника.

Если поступление энергии извне сообщает электрону атома энергию, достаточную для того, чтобы порвать ковалентную (парноэлектронную) связь, перейти из валентной зоны в зону проводимости, то, освободившись электрон становится носителем заряда – электроном проводимости.

Освобождение электрона образует в кристаллической решетке незаполненную междуатомную связь – дырку проводимости.

Дырка ведет себя как положительно заряженная частица. При наличии внешнего электрического и магнитного поля дырки дрейфуют по направлению поля.

Электрон – отрицательно заряженная частица. Под действием электромагнитного поля движется против направления поля.

Дырочная проводимость – р-проводимость (положительная).

Электронная проводимость – n-проводимость (отрицательная).

Собственная электронная проводимость полупроводников относительно мала. Поэтому используют – примесные проводимости.

Германий (Ge) с примесью мышьяка (Ar)

Ge - 4 пары валентной связи (IV группа);

Ar – 5 пар валентной связи (IV группа) мышьяк, сурьма, фосфор.

У атома примеси на один валентный электрон больше. Образуется проводимость n – типа (электронная).

Германий (Ge) с примесью индия (In)

Ge – IV группа (кремний (Si);

In – III группа (бор, галлий, алюминий).

В кристаллической решетке образуется незамещенное место – дыра, и создается дырочная проводимость p - типа.

Электронно – дырочный переход.

В куске монокристаллического полупроводника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется электронно – дырочный переход называемый p – n переходом.

Этот слой обладает вентильными свойствами, т.е. односторонней проводимостью

- потенциальный барьер.

При таком подключении электрическое поле источника понижает потенциальный барьер и резко возрастает диффузия. Такое соединение называется прямым.

Обратное соединение.

При этом подключении электрическое поле источника повышает потенциальный барьер. Через p – n переход проходит незначительный ток, вызванный неосновными носителями заряда.

Статический коэффициент выпрямления

.

ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно – дырочным переходом, который пропускает ток только в одном направлении.

1.

Когда обратное напряжение превышает некоторое предельное значение происходит пробой диода, вследствии которого прекращается вентильное действие диода, т.к. его R_обр уменьшается до величины того же порядка, что R_пр.

2. Прямое падение напряжения.

- кремниевые диоды;

- германиевые диоды.

3. Максимально допустимый прямой ток

4. Максимально допустимый импульсный ток

5. Максимально допустимое обратное напряжение.

6. Обратный ток

7. max Рабочая частота.

Классификация диодов

1. Выпрямительные;

2. Импульсные и универсальные;

3. СВЧ;

4. Другие (стабилитроны, свето-, фотодиоды и т.д.).

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ (ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ)

Преобразуют переменный ток в постоянный.

Структурная схема.

Однополупериодный выпрямитель

Во время действия положительной полуволны U диод D открыт. Во время действия отрицательной полуволны U диод закрыт.

I₀ – постоянная составляющая определяется средним значением тока i за полупериод.

; .

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения на R_н

.

, то ; .

U – действительное значение напряжения источника.

.

, то .

При подборе диода для однополупериодной схемы соблюдаем условие (последовательное включение нескольких диодов).

, если нет параллельно включенных нескольких диодов.

Коэффициент пульсации

.

Двухполупериодный выпрямитель

В положительный полупериод открыты диоды D1 и D4 и ток проходит по цепи: D1 R_н D4.

В отрицательный полупериод открыты диоды D2 и D3 и ток проходит по цепи: D2 R_н D3.

Конденсатор необходим для сглаживания пульсации.

Когда - емкость заряжается.

Когда - емкость разряжается на R_н.

Верхняя часть обмотки открыт D1;

Нижняя часть обмотки открыт D2.

Уровень пульсации

.

Сглаживающие фильтры.

На практике применяют комбинированные фильтры: Г-образные и П-образные.

На индуктивном сопротивлении выделяется большая часть переменной, а на емкости большая часть постоянной составляющей напряжения выпрямления.

Диодная защита при индуктивной нагрузке

При отключении катушки от цепи постоянного тока происходит скачок напряжения на индуктивности, что приводит к искрению между контактами ключа.

После размыкания цепи катушка замыкается на диод D. Когда ключ замкнут, диод закрыт.

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор – полупроводниковый прибор с двумя или несколькими p – n переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющийтри вывода.

По конструкции и принципу действия делятся на:

1. Биполярные транзисторы;

2. Униполярные транзисторы.

Биполярные транзисторы

Делятся на:

p – n – p структуры;

n – p– n структуры.

1. Кристалл германия типа n.

2. Область типа p.

3. Вплавленные пластины индия.

Э – эмиттерный вывод.

К – коллекторный вывод.

Б – база.

Стрелками показано направление движения дырок.

Слой p(эмиттер) – n(база) – p(коллектор) – это слой соединяется с положительным полюсом источника напряжения.

Эмиттер – (от латинского emitto –испускаю) «инжектор» неосновных носителей тока.

База – средний слой пластины германия, сохранивший исходную электронную проводимость.

Коллектор – собиратель носителей заряда, инжектированных эмиттером и прошедших через слой базы.

Толщина базы меньше расстояния, которые проходят носители заряда до рекомбинации.

Схема соединения транзистора типа p – n – p с источниками электроэнергии.

Эмиттер – База под прямым напряжением.

База – Коллектор под обратным напряжением.

Т.к. толщина базы невелика, то дырки пройдут без рекомбинации в область коллектора, где перемещаясь под действием коллекторного напряжения, создадут коллекторный ток I_К. Небольшая часть дырок, рекомбинированных в базе, создадут небольшой ток базы I_Б,

и I_Э.

Коэффициент усиления по току

, приращение тока коллектора к приращению тока эмиттера,

при U = const.

Условные обозначения биполярных транзисторов

Схема включения транзистора с общей базой

Коэффициент усиления по току:

;

Коэффициент усиления по напряжению:

.

; по мощности .

Схема включения транзистора с общим эмиттером (распространение)

I_Б – входной ток; I_К – выходной. ; .

Схема включения транзистора с общим коллектором

Эмиттерный повторитель

; ;.

и - определяют экспериментально.

Полевые транзисторы

В полевых транзисторах используют эффект воздействия поперечного электрического поля на проводимость канала, по которому движутся носители электрического заряда.

«+» - большое входное сопротивление;

- устойчивость к проникающим излучениям;

- малое влияние температуры.

2 типа:

- с затвором p – n перехода;

- с изолированным затвором.

Схема с затвором p – n перехода

И – исток;

С – сток;

1 – объединенный слой;

2 – канал высокой проводимости.

От приложенного напряжения создается ток I_C через сопротивление R_н, обеспечивается движением основных носителей заряда.

Пластины n типа образуют затвор.

При увеличении U_вх ширина объединенного слоя увеличивается, а ширина канала проводимости уменьшается.

Т.о. изменяя напряжение U_вх меняем I_C и U_вых.

ТИРИСТОРЫ

Тиристор от транзистора отличается наличием третьего перехода p – n.

Соединение греческого слова «тира» - дверь и английского слова «резистор» - сопротивление.

«+» способность переходить из одного непроводящего состояния в проводящее под действием относительно слабого входного сигнала, высокий к.п.д. и малые габариты.

Два устойчивых состояния:

1. В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет 10 Мом при напряжении до 1 кВ.

2. В открытом сопротивление незначительно.

Тиристор с двумя выводами называют динистором.

Тиристор, снабженный третьим выводом называется тринистором.

Управляющий электрод позволяет с помощью небольшого сигнала (импульса напряжения) привести тиристор из закрытого положения в открытое при неизменном напряжении на основных электродах. Обратный переход невозможен.

Структура тиристора содержит четыре (p – n— p – n) или пять (p – n— p – n— p) слоев.

,

I₀ – обратный ток через переход П₂ (n— p);

I_К1 – коллекторный ток через транзистор p – n— p;

I_К2 – коллекторный ток через транзистор n— p – n.

.