ЭЛЕКТРОНИКА

050702 «Автоматтандыру және басқарумамандығының студеттеріне арналған дәрістер курсы

Өскемен

УДК 621.38(075.8)

Корнев В.А.Электроника: 050702 «Автоматтандыру және басқару» мамандығының студенттеріне «Электроника» пәнінен дәрістер курсы. /Корнев В.А., Қабланбеков Б.М., Байтемирова Г.Ж./ШҚМТУ.-Өскемен, 2010-54с

«Электроника» пәнінен дәрістер курсында электронды құрылғыларды жобалауының қысқа теориялық негізі баяндалған, электронды құрылғылардың сұлбалы есептеуінің нұсқалары және оларды есептеудің әдістері берілген.

© Д.Серікбаев атындағы Шығыс

Қазақстан мемлекеттік

техникалық университеті,

МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ

Қазіргі кезде электроника адам өмірі мен басқару жүйелерінің барлық түрлерінде қолданылады. Алғашқы ақпараттық басқару электрлі белгілер, датчиктер, фильтрация, құбылу үрдістерінде байқалады. Датчиктер шығаратын белгілер төмен электрлі сатыда жүретіндіктен оларды қайта күшейту жүргізіледі. Күшейткіш дегеніміз қоректену көзінен келетін энергия ағынын басқарушы электронды құрылғы. Күшейткіш функционалды міндеттері бойынша түрлі типтерге бөлінеді. Табиғаты бойынша күшейткіш белгілер тұрақты ток күшейткіштері, ауыспалы ток күшейткіштері, импульсті белгілер күшейткіші болып бөлінеді. Жиілігі бойынша төмен жиілікті (ЖТЖ) он герцтен fн жүз килогерцке fв дейін, кең сызықтылар жүз килогерцтен он Мегагерцке дейін.

ЖТЖ шартын қолдану кезінде температураның өзгеру диапазонын ескеру керек, онда күшейткіш өзінің жұмысқа қабілеттілігін толығымен сақтау керек, механикалық әрекеттердің түрлері мен энергетикалық және салмақтылық көрсеткіштерін орындауы керек. Шарттың негізгі орындалуы күшейткіштегі күшейтілетін сигналдың көрсеткішін көтеру, оған қысым бойынша көтеру жатады (ток, қуат). Күшейткіштің шығудағы үлкен мөлшердегі сызықты емес қажалуы транзистордың вольтамперлі сипаттамасын береді. Техникалық шамалары бойынша датчиктер үлкен спектрге ие болғандықтан, күшейткіштің каскадына шығу кедергіден үлкен сұраныс туындатады.

Белгіні күшейту талаптардың қалыптасуына байланысты бірнеше кезеңдер арқылы іске асырылады: алдын-ала күшейту (төменгі қуатты күшейткіш), аралық күшейту (орта қуатты күшейткіш) және қуатты соңғы күшейту. Берілген курстық жобада төменгі жиілікті аз қуатты күшейткішті жобалау тапсырмасы шешіледі. Күшейткіштің электронды сұлбаларын жобалағанда компоненттер таңдау мен қалыптастыруды келесі жолдармен орындаған дұрыс, берілген сипаттама бойынша құрылғының максиамалды тиімділігін қамтамасыз ететін шамалар және де энергия шығыны тарапынан тиімді болуы керек.

«Электроника» пәні «Автоматтандыру және басқару » мамандығының күндізгі және сырттай оқу түрінің 2 курс студенттеріне оқытылады және электронды техниканың қазіргі заманғы элементтерінің негізгі типтерімен студенттерді таныстыруды талапқа қояды, студенттер жартылай өткізгішті приборларды, олардың ерекшеліктерін, сипаттамаларын, қосылу сұлбаларын және электронды құрылғылардың электрлік тізбектеріндегі үдерістерін меңгереді. Сонымен қатар, микроэлектрониканың негізі түсініктерімен, дайындау ерекшеліктерімен және интегралды микросұлбалардың пассивті және белсенді элементтерінің шамаларымен танысу болады. Және сондай-ақ аналогты және сандық электрониканың базалық құрылғылары оқытылады.

1 ДӘРІС «МАТЕРИАЛДАРДЫҢ ЭЛЕКТРӨТКІЗГІШТІГІ»

Электрөткізгіштік – материалдардың электр тогын өткізу қасиетін сипаттайды. Сандық шамасы жағынан ол: 1 – заттың меншікті өткізгіштігімен; 2 – еркін заряд тасымалдаушылар концентрациясымен (n) бағаланады. Материалдарды электртогын өткізу қабілетіне қарай үш топқа бөлуге болады:

- диэлектриктер (n≈10¹² эл/см³);

^- жартылайөткізгіштер (10¹²<n<10¹⁶ эл/см³);

- өткізгіштер (n≈10¹⁹ эл/см³).

Диэлектриктер электр тогын мүлдем өткізбейді деп айтуға болады. Өткізгіштер электр тогын жақсы өткізеді. Жартылайөткізгіштер өткізгіштігі жағынан осылардың ортасында болады. Жартылайөткізгіштің құрылымы алмаздың кристаллдық торына ұқсайды. Атомдарының арасында коваленттік байланыс болғандықтан жартылайөткізгіштердің құрылымы қатты болады. Жартылайөткізгіштердің маңызды қасиетті – оның электр өткізгіштігінің қоршаған орта температурасына, жарық ағынына (Ф), қоспалар концентрациясына, иондаушы сәулеленуге және т.б. өте сезімталдығында. Жартылайөткізгіштік приборлар жасау үшін мынадай материалдар пайдаланылады:

1) 4 валентті топ (Ge (германий), Si (кремний), AsGa (галий арсениді));

2) 3 валентті топ (Al (алюминий), B (бор), In (индий));

3) 5 валентті топ (P (фосфор), As (мышьяк), Sb (сурьма)).

Барлық жартылайөткізгіштерді екі топқа бөлуге болады:

1) Таза (меншікті, қоспасыз) немесе і-типты жартылайөткізгіштер (бір элемент атомдарынан тұратын заттар).

2) Қоспалы жартылайөткізгіштер.

Жартылайөткізгіш атомы көршілес атом электронымен біріге отырып (коваленттік байланыс) кристаллдық тор құрап, кеңістікте қатаң бір тәртіппен орналасады (1 сурет).

1 Сурет – 4 валентті жартылайөткізгіштің жазық графикалық моделі [6]

Таза жартылайөткізгіште абсолюттік ноль температурада (Кельвин бойынша Т=0 болғанда) барлық электрондар коваленттік байланыс құрауға жұмсалады да, еркін электрондар болмайды, яғни, жартылайөткізгіш диэлектрикке айналады. Температура жоғарылаған сайын электрондардың кейбірі қосымша энергияға ие болып, өздерінің коваленттік байланыстарын бұзып еркін электронға айналады. Нәтижесінде екі еркін заряд тасымалдаушы пайда болады: еркін электрон (теріс заряд) және оның орны кемтік (орын босату). Кемтік сан шамасы жағынан электрондікіне тең таңбасы оң зарядқа ие (2 сурет).

2 Сурет – Электрондық өткізгіштікті жартылайөткізгіш [6]

Сонымен, температура жоғарылағанда жартылайөткізгіште еркін заряд тасымалдаушылар пайда болады және таза жартылайөткізгіштерде еркін электрондар мен кемтіктердің концентрациясы тең болады: n_i=p_i. Еркін электрон мен кемтіктің пайда болу үрдісін электрон-кемтік жұбының генерациясы дейді. Электрон кристаллдық тор көлемінде қозғалыс барысында кемтіктің орнын басуы мүмкін. Бұл кезде электрон және кемтік өзара жойылады, мұны электрон-кемтік жұбының рекомбинациясы деп атайды.

Таза жартылайөткізгіштер сирек қолданыс тапқан. Олардың өткізгіштігі температураға өте сезімтал болғандықтан, олар термодатчиктер жасауға қолданылады. Басқарылатын жартылайөткізгіштік приборлар жасау үшін қоспалы жартылайөткізгіштер қолданылады. Жартылайөткізгішке арнайы қоспа енгізу легирлеу, ал қоспалы жартылайөткізгіш легирленген деп аталады. Енгізілген қоспаның сипатына қарай екі типті жартылайөткізгіш алуға болады: n – типті (электрондық) және р – типті (кемтіктік).

n – типті жартылайөткізгіш алу үшін 4 валентті жартылайөткізгішке 5 валентті атомдарды қоспа ретінде енгізеді. Қоспаның әрбір атомы жартылайөткізгішке бір еркін электрон туғызады (2 сурет). Мұндай қоспа донорлық қоспа деп аталады. Жартылайөткізгіште электрондар негізгі, ал кемтіктер негізгі емес заряд тасымалдаушылар болып табылады.

р – типті жартылайөткізгіш алу үшін 4 валентті жартылайөткізгішке 5 валентті атомдарды қоспа ретінде енгізеді. Қоспаның әрбір атомы жартылайөткізгіштің негізгі атомдарының көршілес тұрған атомдарының бірінің электронын тартып алады, нәтижесінде бір кемтік пайда болады. Мұндай қоспа акцепторлық деп аталады.

Акцепторлы байланысты кристаллдық тордың жазық моделі 3 суретте келтірілген.

3 Сурет - Акцепторлы байланысты кристаллдық тордың жазық моделі [6]

Жартылайөткізгішті приборлар жасау үшін әдетте қоспалы жартылайөткізгіштер қолданылады. Өйткені олардың өткізгіштігі негізінен ондағы қоспалардың концентрациясына тәуелді болады да, температура, жарықталу және басқа да сыртқы факторларға тәуелділігі төмен болады [3.4].

1.1 Жартылайөткізгіштердегі токтар. Дрейф және диффузия.

Жартылайөткізгіштерде электр заряды қозғалысының екі түрлі механизмі мүмкін:

1) Дрейф – заряд тасымалдаушылардың электр өрісі әсерінен қозғалысы (4 сурет);

4 Сурет – Заряд тасымалдаушылардың дрейфтіу механизмі [6]

Электр өрісі әсерінен пайда болатын ток – дрейфтік ток.

2) Диффузия – еркін заряд тасымалдаушылардың материалдың көлемі бойынша біркелкі емес болып таралуы әсерінен туындайтын қозғалысы. Диффузия үрдісі негізгі екі параметрмен бағаланады:

- τ_n – артық, тепе-теңдік емес заряд тасмыладаушылар өмір сүру уақыты. Егер өткізгіштің қандай да бір аймағында n₀ артық, тепе-теңдік емес заряд тасымалдаушылар туғызсақ және қандай да бір уақыт мезетінде заряд тасымалдаушыларды туғызатын әсерді тоқтата қойсақ, онда диффузиялық күштердің әсерінен артық концентрация кеми бастайды, яғни, материалдың барлық көлеміне жайылады. Бастапқы n₀ концентрция е есе кемитін уақыт (тегістелуге кететін уақыт) тепе-теңдік емес зарядтардың өмір сүру уақыты болып табылады. - l_n – диффузиялық ұзындық, диффузия әсерінен артық зарядтардың ену тереңдігін көрсететін ара қашықтық.

2 ДӘРІС «ЖАРТЫЛАЙӨТКІЗГІШ МАТЕРИАЛДАРДАҒЫ

ЭЛЕКТРЛІК АУЫСУЛАР»

Жартылайөткізгіш материалдарда арнайы электрлік қасиеттері әртүрлі аймақтар жасалады. Жартылайөткізгіштердің осындай электрлік қасиеттері әртүрлі аймақтарының түйіскен тұсындағы қабат электрлік ауысу деп аталады. Жартылайөткізгішітк материалдардың аймақтарының арасында болатын ауысу түрлері 5 суретте келтірілген.

5 Сурет – Материалдардағы ауысу түрлері

Металлдық-жартылайөткізгіштік. Металлдан және жартылайөткізгіштен электронның шығу жұмысы шамасының қатынастарына қарай (A_Me > < A_ж/ө) металл-жартылайөткізгіш шекарасында екі түрлі ауысу болады:

Омдық контакт – берілген кернеудің бағытына тәуелсіз және төмен кедергілі ауысу қабаты. Электр сигналдарын жартылайөткізгіштерге өткізу үшін омдық өткізгіш ретінде қолданылады.

Түзеткіш контакт – бірбағытты өткізгіштікке ие электрлік ауысу, Шоттки диодтарында қолданылады [5].

2.1 р-n-ауысу (Электрондық-кемтіктік ауысу)

Әртүрлі типті екі жартылайөткізгіштерді механикалық контактіге келтіру арқылы р-n-ауысуды алу мүмкін емес, оған себеп:

- біріншіден, жартылайөткізгіштердің беткі қабатын жақсы диэлектрик болатын тотық басып жатады;

- екіншіден, екі жартылайөткізгіштердің арасында әрқашан атомаралық қашықтықтан қалың ауа қабаты болады.

Сондықтан, р-n-ауысу басқа тәсілмен алынады. Олардың негізгілері:

1. Құйма әдісі (жартылайөткізгіш пластинасына қажет қоспасы бар металл немесе құйма балқытылып құйылады).

2. Диффузиялық әдіс.

2.2 Тепе-теңдік күйдегі p-n-ауысуды алу

6 суретте тепе-теңдік күйдегі р-n-ауысудағы үрдістер моделі келтірілген.

6 Сурет – p-n-ауысудың тепе-теңдік күйі [6]

p және n аймақтардың шекарасында еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясының градиенті орын алған. Диффузия әсерінен n аймақтағы электронадар n аймаққа ауысып ондағы кемтіктермен рекомбинацияға ұшырайды (өзара жойылады). Кетіктер керісінше, р аймақтан n аймаққа ауысып электордармен рекомбинацияға ұшырайды. Нәтижесінде р аймақта шекараға жақын ауданда осы аймаққа өтіп кеткен электрондардың теңгерілмеген артық теріс заряды пайда болады. Керісінше, n аймақтың шекараға жақын аумағында осы аймаққа ауысқан кемтіктердің теңгерілмеген оң заряды пайда болады. Зарядтар арасында «φ_к» потенциалдар айырымы және кернеулігі Е_к электр өрісі пайда болады. Бұл өріс еркін заряд тасымалдаушыларының (электрондар мен кемтіктердің) p және n аймақтарының терең аудандарынан p-n-ауысудан әрі қарай ауыса беруіне (диффузиясына) бөгет болады. p-n аймақтардың шекарасындағы еркін заряд тасымалдаушылары кеміп қалған (кедейленген) аймақ p-n-ауысу деп аталады. Егер сырттан p-n-ауысуға ешқандай кернеу берілмеген болса, онда p-n-ауысу арқылы бір біріне қарама қарсы тектері екі түрлі зарядтар ағыны (екі түрлі ток) қозғалады, және олар тепе-теңдік ағындар болып табылады. Біріншісі – диффузиялық ток, концентраяциялар айырым әсерінен пайда болады. Екіншісі – дрейфтік ток, диффузиялық ток әсерінен пайда болған потенциалдар айырымы еркін заряд тасымалдаушыларды қозғалысқа келтіреді, тек ол токтың бағыты диффузиялық ток бағытына қарама-қарсы болады. Сонымен сырттан кернеу берілмесе, бұл екі ток өзара бірін-бірі теңгереді де p-n-ауысудағы нәтижелік ток нөлге тең болады.

I_pn = I_диф + I_др = 0

Бұл қатынас p-n-ауысудағы токтардың динамикалық тепе-теңдік шарты деп аталады.

2.3 Сыртқы кернеу бар кездегі р-n-ауысу

p-n-ауысуға сырттан кернеу берілгенде ондағы токтардың динамикалық тепе-теңдігі бұзылады да p-n-ауысу тепе-теңдік емес болады.

1) p-n-ауысудың р-аймағына сыртқы кернеу көзінің «-» полюсі және n-аймағына «+» полюсі берілген болса p-n-ауысу кері бағытта жылжытылған делінеді (7 сурет).

7 Сурет – p-n-ауысудағы кері жылжу

p-n-ауысудағы кернеу φ_к потенциалымен бағыттас, ал қорытқы кернеу осы потенциал мен сыртқы кернеудің қосындысына тең: U_pn = U + φ_k. Бұл жағдайда электр өрісінің Е кернеулігі өседі де p-n-ауысудың ені кеңейеді. Диффузия үрдісі толығымен тоқтайды, ауысу арқылы I₀ = I_pn = I_кері кері ток жүреді. Бұл негізгі емес заряд тасымалдаушылардың I₀ жылулық тогы, өйткені I_диф нөлге айналған. Жылулық токтың шамасы қоршаған орта температурасына тәуелді болады.

Кері ток негізгі емес тасымалдаушыларға байланысты болғандықтан (негізгі емес тасымалдаушылардың концентрациясы аз шама) I₀ тогының мәні де аз шама болады.

2) p-n-ауысудың р-аймағына сыртқы кернеу көзінің «+» полюсі және n-аймағына «-» полюсі берілген болса p-n-ауысу тура бағытта жылжытылған делінеді (8 сурет).

8 Сурет – p-n-ауысудағы тура жылжу

Бұл жағдайда сыртқы кернеу φ_к потенциалына қарама-қарсы бағытталады да, ауысудағы қорытқы кернеу олардың айырымына тең болады: U_pn=φ_к-U, бұл ауысудағы электр өрісінің Е кернеулігін әлсіретеді, ауысудың ені кішірейеді. Негізгі заряд тасымалдаушылардың диффузиясы қайтадан басталады. p-n-ауысуда I_pn=I_тура=I_диф тура ток жүреді, бұл негізгі заряд тасымалдаушылардың диффузиялық тогы.

Тура ток негізгі заряд тасымалдаушыларға байланысты болғандықтан (олардың концентрациясы жоғары болады) кернеу жоғарылағанда диффузиялық ток күрт жоғарылап үлкен мәндерге ие болуы мүмкін.

3 ДӘРІС «p-n-АУЫСУДЫҢ ВОЛЬТ-АМПЕРЛІК СИПАТТАМАСЫ»

p-n-ауысудағы токтың сыртқы кернеуге тәуелділігін (I=f(U)) вольт-амперлік сипаттама (ВАС) деп атайды. Оның графиктік көрінісі 9-суретте келтірілген.

9 Сурет – p-n-ауысудың ВАС-ы

p-n-ауысудың негізгі қасиеті – бірбағытты өткізгіштігі, ВАС-ы түзеткіштік қасиетке ие, яғни бір бағытта токты жақсы, ал екінші бағытта өте нашар өткізеді.

ВАС-ына сәйкес, I_кері=I₀ кері кернеуге тәуелсіз тұрақты шама болып қалады. Алайда U_кері кері кернеудің жоғары мәнінде кері токтың I_кері күрт өскенін бақылауға болады. Бұл құбылыс p-n-ауысудың тесілуі, ал тесілу байқалатын кернеу тесілу кернеуі деп аталады.

Тесілу былайша бөлінеді:

1) Жылулық;

2) Электрлік, мұның өзі туннельдік және тасқындық (қызусыз) болып бөлінеді.

Электрлік тесілу қайтымды, яғни кері кернеудің шамасын азайтқанда p-n-ауысудың бастапқы түзеткіштік қасиеттері қалпына келеді.

Тасқындық тесілу әдетте шамалы легирленген «енді» p-n-ауысуларда негізгі емес заряд тасымалдаушылардың тасқынды түрде көбеюінен болады [3,5]. Электр өрісі айтарлықтай жоғары болғанда электрондар өрісте үдей қозғала отырып, соқтығысқанда жартылайөткізгіштің валенттік электрондарын жұлып шығаратындай жылдамдыққа ие болуы мүмкін. Жұлынған әрбір электрон өрісте әрі қарай үдеп келесі электрондар буынын тудырады. Бұл үрдіс тасқындық түрде жалғаса береді.

Туннельдік тесілу әдетте легирлену дәрежесі жоғары «жұқа» p-n-ауысуларда болады. Күшті электр өрісі әсерінен валентті электрондардың жұлынуы орын алады. Нәтижесінде p-n-ауысу көлемінде еркін электрон пайда болады.

2) Жылулық тесілу қайтымсыз құбылыс. Ол кезде кері токтың әсерінен p-n-ауысу қызады. Қызу барысында p-n-ауысуда негізгі емес заряд тасымалдаушылардың саны артады. Бұл өз кезегінде І_кері кері токтың мәнін жоғарылатып, p-n-ауысудың қызу жылдамдығы жоғарылайды. Кристаллдық тор бұзылып (балқып), электрлік қасиеттер қайта қалпына келмейді.

3.1 Жартылайөткізгіштік диодтар

Жартылайөткізгіштік диод – бір p-n-ауысуы және екі шығарылған өткізгіші бар, жартылайөткізгіш материалдың конструкциялық безендірілген көлемі (10 сурет).

10 Сурет – Жартылайөткізгіштік диодтың белгіленуі

Диодтардың көпшілігі симметриялық емес p-n-ауысудың негізінде жасалады. Диодтың жоғары легирленген аймағы анод деп, ал төмен легирленген аймағы катод деп аталады. Симметриялық емес p-n-ауысу базаға орналастырылады.

Реал диодтың ВАС-ында тура және кері тармақтар идеал жағдайдағыдан өзгешеленеді. Тура бағыттағы кернеу берілген жағдайда диодтың базасы мен эмиттерінің көлемдік кедергісін ескеру керек. Бұл диод ВАС-ының тура тармағының оңға қарай жалжуына әкеп соғады, және бұл жылжудың шамасы берілген кернеуден сызықтық тәуелділікте болады. Диод ВАС-ының кері тармағы берілген кернеу шамасына тәуелді, яғни кері токтың өсуі байқалады.

Реал диодтың ВАС-ы 11 суретте келтірілген.

11 Сурет – Идеал және реал диодтың ВАС-ы

12 суретте жоғары кернеулердегі диодтың эквиваленттік схемасы келтірілген. Бұл жерде R_б>>R_э, R_en- аймақтар арасындағы p-n-ауысу бетінің кедергісі.

12 Сурет – Жоғары кернеулердегі диодтың эквиваленттік схемасы

13 суретте төмен кернеулердегі диодтың эквиваленттік схемасы келтірілген. Бұл жерде R_pn – диодтың жұмыс бөлігіндегі дифференциалдық кедергісі, С_pn – диодтың жұмыс бөлігіндегі сиымдылығы.

13 Сурет – Төменгі кернеулердегі диодтың эквиваленттік схемасы

3.2 Диодтың ВАС-ына температураның әсері

Жартылайөткізгіштің температурасы жоғарылаған сайын ондағы негізгі емес заряд тасымалдаушылардың саны өседі, яғни p-n ауысдағы J₀ жылулық ток та өседі. Бұл диод ВАС-ының тура және кері тармақтарына өз әсерін тигізеді (14 сурет).

14 Сурет – Диод ВАС-ына темпераутраның әсері

14 суретте көрініп тұрғандай, температура жоғарылағанда диод ВАС-ының тура тармағы солға қарай ығысады. Бұл диодтың кернеудің температуралық коэффициентімен (КТК=-2,3мв/с⁰) сипатталады.

Диодтар қолданылу саласына қарай былай бөлінеді:

1. Түзеткіш;

2. Импульстік;

3. Стабилитрондар;

4. Варикаптар;

5. Туннельдік.

3.3 Түзеткіш диодтар

Төменгі жиілікті айнымалы токты түзетуге арналған, әдетте қуат көздерінде қолданылады. Түзеткіш диодтар кернеудің және ток күшінің жоғары шамаларына арналғандықтан түзеткіш диодтардың p-n ауысуларының ауданы үлкен болады, сәйкесінше J_кері және C_p-n мәндері де жоғары болады.

Түзеткіш диодтардың негізгі параметрлеріне мыналарды жатқызуға болады:

- J_{тура орт max} – тура токтың максимал мәнінің орташа мәні, Тура токтың мәні бұл шамадан жоғары болғанда диод қызу әсерінен істен шығады;

- U_тура – берілген тура ток күші мәніндегі p-n ауысудағы тура бағыттағы кернеудің мәні;

- J_кері – берілген кері бағыттағы кернеудегі кері токтың мәні;

- U_кері – кері бағыттағы рұқсат етілген кернеудің максимал мәні, одан жоғары кернеудң диодтың тесілуі орын алады;

- диодтағы қуаттың максимал мәні.