Методические указания к выполнению контрольной работы по разделу Основы Электронике

Электроника представляет собой область науки и техники, охватывающую изучение и применение электронных и ионных явлений, протекающих в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах и плазме, а также на их границах. Техническая электроника занимается изучением теории и практики применения электронных и ионных приборов, устройств, систем и установок в различных областях человеческой деятельности – науке, промышленности, связи, сельском хозяйстве, строительстве, транспорте и др.

1. Физические основы работы полупроводниковых приборов

С начала 50-х г. г. прошлого века, после изобретения транзистора, начался расцвет полупроводниковой электроники, которая практически полностью вытеснила ламповую.

К полупроводникам относят материалы, занимающие по своему удельному сопротивлению промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При производстве полупроводниковых приборов наибольшее применение нашли германий Ge и кремний Si. У идеальных кристаллов германия и кремния, относящихся к четвертой группе периодической системы Менделеева, все валентные электроны образуют связанную пару. Такие идеальные кристаллы не проводят электрический ток.

При добавлении в кристалл кремния элементов из пятой группы, например сурьмы Sb или фосфора P появляется несвязанный, свободный электрон. Таким образом, в кристалле кремния возникает электронная проводимость, а полупроводник называется n – типа. Примесь, образующая электронную проводимость, называется донорной.

Добавление в кремний трехвалентной примеси, например, галлия Ga или индия In приводит к тому, что три валентных электрона индия участвуют в образовании ковалентных связей с атомом кремния, а одна связь остается свободной. Таким образом, для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону. В кристалле кремния образуется "дырка", способная присоединить свободный электрон. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p - типа, а соответствующая примесь называется акцепторной.

Под действием внешнего электрического поля в полупроводнике n – типа наблюдается движение электронов в направлении поля, в полупроводнике p- типа происходит движение дырок, имеющих положительный заряд, в обратном направлении. Хотя в обоих рассмотренных случаях в образовании электрического тока участвуют только электроны, введение фиктивных дырок с положительным зарядом удобно с методической точки зрения. Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные – неосновными. В полупроводнике n – типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки. В полупроводнике p - типа основные носители заряда – дырки, не основные – электроны. Электроны и дырки в кристалле полупроводника находятся в состоянии хаотического теплового движения.

Действие электрического поля из хаотического движения электронов и дырок приводит к направленному движению зарядов в кристалле. Возникает электрический ток, который называется дрейфовым током. Причиной, вызывающей электрический ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда. В соответствии с законами теплового движения возникает диффузия электронов и дырок из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда. Таким образом, электрический ток в полупроводниках, обусловленный движением электронов и дырок, имеет дрейфовую и диффузионную составляющие.

Электронно-дырочный переход

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными видами проводимости. Электронно-дырочный переход или р- n - переход образуется путем сплавления полупроводников типа n и типа р в единый монокристалл. На границе электронной и дырочной областей существует градиент концентрации зарядов – в области р положительный заряд, обусловленный наличием дырок, в области n - отрицательный заряд свободных электронов. Наличие градиента концентрации зарядов вызывает появление диффузионного тока – переноса заряженных частиц (дырок и электронов) через р - n переход. Таким образом, в области р вследствие ухода дырок возникает не скомпенсированный отрицательный заряд, а в области n вследствие ухода электронов – положительный заряд.

Наличие зарядов противоположных знаков на границе между р - и n областями приводит к появлению между этими областями так называемой контактной разности потенциалов и электрического поля Е_ДИФ, называемое диффузионным. Диффузионное поле оказывается тормозящим для движения дырок из области р и электронов из области n через р - n переход, т. е. на границе между р - и n областями возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей, рис.6.1.

Рис. 6.1. Включение p-n перехода. Вольтамперная характеристика p-n перехода

При прямом подключении к р - и n областям внешнего электрического поля, направленного навстречу диффузионному, при Е_вн ≥ Е_диф, через р - n переход начнется движение основных носителей (дырок из области р и электронов из области n), образующих прямой ток, рис.6.1 (прямое включение). Вольтамперная характеристика р - n перехода при прямом подключении является нелинейной.

При подключении внешнего напряжения плюсом к области n, а минусом к области р, что представляет собой обратное включение р - n перехода, электрический ток будет определяться только неосновными носителями (электронами в области р, и дырками в области n). Поскольку концентрация неосновных носителей очень мала, обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения. При некотором значении обратного напряжения происходит пробой р - n перехода, вызывающий резкое увеличение обратного тока. Различают электрический и тепловой пробой.

При электрическом пробое число носителей заряда возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки полупроводника. Электрический пробой не приводит к выходу р - n перехода из строя. После выключения р - n перехода его свойства полностью восстанавливаются.

При тепловом пробое возникает перегрев полупроводника, наблюдается нарушение теплового баланса и выход р - n перехода из строя.

3. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляет р - n структура, разделенная электронно-дырочным переходом. Изображение полупроводникового диода показано на рис.6.2. Острая вершина треугольника указывает направление прямого тока через диод. Треугольник соответствует р области и называется иногда анодом или эмиттером, а прямолинейный отрезок - области n и называется катодом или базой.

Рис. 6.2. Разновидности диодов: (а) выпрямительные, импульсные и универсальные; (б) стабилитроны и стабисторы; (в) туннельные; (г) обращенные; (д) варикапы

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный ток. Выпрямление переменного тока основано на односторонней проводимости диода. Вольтамперная характеристика р - n перехода, изображенная на рис.6.1, является характеристикой диода. При включении диода в прямом направлении сопротивление его электрическому току очень мало. При обратном включении – сопротивление диода велико и он практически не пропускает электрический ток. Выпрямление переменного напряжения (тока) показано на рис.6.3. При действии положительной полуволны входного напряжения U₁ диод включен в прямом направлении, сопротивление его мало и на сопротивлении нагрузки R_н падение напряжения U₂ практически равно входному напряжению.

При действии отрицательной полуволны напряжения диод включен в обратном направлении, его сопротивление во много раз больше сопротивления нагрузки, поэтому все напряжение обратной полуволны падает на диоде, а напряжение на нагрузке практически равно нулю. Данная схема выпрямления называется однополупериодной, т. к. на нагрузку проходит только один полупериод входного переменного напряжения.

Рис. 6.3. Схема простейшего однополупериодного выпрямителя (а) и графики напряжения на его входе и выходе (б)

Нагрузочная способность выпрямительных диодов определяется допустимым прямым током I_пр, соответствующим ему падением напряжением на открытом диоде U_пр, допустимым обратным напряжением U_обр и соответствующим ему обратным током I_обр, а также допустимой мощностью рассеяния P_рас и допустимой температурой окружающей среды (50⁰ С для германиевых и 140⁰ С для кремниевых диодов). Мощность рассеяния выпрямительных диодов определяется площадью р - n перехода. Вследствие большой площади р - n перехода допустимая мощность рассеяния выпрямительных диодов достигает 1 Вт при значениях прямого тока до 1 А. У выпрямительных диодов большой мощности с радиаторами и искусственным охлаждением допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при значениях допустимых прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В.

Стабилитроны представляют полупроводниковые диоды, в которых для стабилизации постоянного напряжения используется участок обратной ветви вольтамперной характеристики диода в области электрического пробоя. Схема стабилизации и вольтамперная характеристика стабилитрона показаны на рис.6.4.
Рис. 6.3.1. Схема стабилизации и вольтамперная характеристика

При изменении тока, протекающего через стабилитрон от

Последовательно со стабилитроном, включенным в обратном направлении, соединено балластное сопротивление R, необходимое для задания тока стабилитрона. Сопротивление нагрузки подключается параллельно стабилитрону

I_ст.мин до I_{ст.макс.}, напряжение на нем почти не изменяется, рис.6.3.1. Напряжение на нагрузке также будет оставаться постоянным в указанных пределах изменения тока, протекающего через стабилитрон.