Электроника
п/п приборы
п/п -материал ,удельная проводимость которого сильно зависит от внешних факторов –кол-ва примесей, температуры, внешнего эл.поля, излучения, свет, деформация
Достоинства: выс. надежность, большой срок службы, экономичность, дешевизна.
Недостатки: зависимость от температуры, чувствительность к ионизирован излучению.
Основы зонной теории проводимости
Согласно квантовой теории строения вещества энергия электрона может принимать только дискретные значения энергии. Он движется строго по опред орбите вокруг ядра.
Не в возбужденном состоянии при Т=0К , электроны движутся по ближаишей к ядру орбите. В твердом теле атомы ближе друг к другуÞ электронное облако перекрываетсяÞ смещение энергетических уровнейÞ образуются целые зоны уровней.
Е
Разрешенная
Запрещенная зона
d
1)Разрешенная зона кт при Т=0К заполненная электронами наз – заполненной.
2)верхняя заполненная зона наз – валентной.
3)разрешенная зона при Т=0К где нет электронов наз – свободной.
4)свободная зона где могут находиться возмущенные электроны наз зоной эквивалентности.
Проводимость зависит от ширины запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости.
êЕ=Епр-Ев
Ширина запрещенной зоны в пределах 0,1~3,0 эВ (электрон вольт) характерна для п/п
|
ã1 Проводник 2 П/П ¬3 Диэлектрик |
|
↕ êЕ>6еВ |
|
↕ 0,1~3 еВ |
Наибольшее распространение имеют П/П
Кремний, Германий, Селен и др.
Рассмотрим кристалл «Ge»
При Т>0К электроны (заряд -q)отрываются образуют свободные заряды Þ на его месте образуется дырка (заряд +q) это называется процессом термогенерации
Обратный процесс наз – рекомбинацией
n – электронная проводимость
p – дырочная проводимость
t - время жизни носителя заряда (е).
Вывод: таким образом nроводимость в чистом П/П обоснована свободными электронами или дырками.
d=dn+dp=qmnrn+qmprp
где: r-концентрация
m-подвижность =u/Е
Собственная проводимость сильно зависит от t°
П/П приборы на основе собственной проводимости.
Зависимость собственной проводимости от внешних факторов широко исполь-ся в целом ряде полезных П/П приборов.
1)Терморезисторы (R зависит от t° )
|
R |
|
Т |
ТКС>0 у П/П
ТКС<0 у проводников
Применяют в устройствах авт-ки в качестве измерительного преобразователя t° (датчики)
2)Варисторы (R зависит от внешнего эл. Поля)
ВАХ I=f(u)
Прим-ют для защиты
терристоров от
перенапряжения
3)Фотосопротивление – R зависит от светового потока
применяют в сигнализации, фотоаппаратуре
4)Тензорезисторы – R зависит от механич деформаций
|
F |
Примесная проводимость п/п.
Это проводимость обусловленна примесями:
-внедрения
-замещения
Роль примесей могут играть нарушения кристалической решетки.
-Если внедрить в кристал Ge элемент I группы сурьму Sb, тогда один из 5 валентных электронов Sb окажется свободным, тогда образуется эл. проводимость, а примесь называется донорной.
-Если внедрить элемент III группы индий I тогда 1 ковалентная связь останется останется свободной =>
Образуется легко перемещаемая дырка (дырочная проводимость), примесь называют акцепторной.
Основным носителем заряда наз. Те кт в п/п >
П/п с дырочной проводимостью наз. п/п –p типа, а с электоронной проводимостью – n типа.
Движения носителей заряда т.е. ток обуславливается 2 причинами: 1) внешнее поле – ток наз. дрейфовым. 2)разнасть концентраций – ток наз. диффузионным.
В п/п имеется 4 составляющие тока:
i=(in)Д+(ip)Д+(in)Е+(ip)E
Д-диффузионный Е-дрейфовый
Электрические переходы.
Называют граничный слой между 2-ми областями тела физические св-ва кт. различны.
Различают: p-n, p-p+, n-n+, м-п/п, q-м, q-п/п переходы прим. В п/п приборах (м-метал прим. в термопарах)
Электронно-дырочный p-n переход.
Работа всех диодов, биполярных транзисторов основана на p-n переходе
Рассмотрим слой 2х Ge с различными типами проводимости.
р
n
Обычно переходы изготавливают несемметричными pp>> << nn
Если pp>> nn то p-область эмитерная, n- область- база
В первый момент после соединения кристаллов из-за градиента концентрации возникает диффузионный ток соновных носителей.
На границе основных носителей начнут рекомбинировать, тем самым обнажаться неподвижные ионы примесей.
Граничный слой. Будет обеднятся носителями заряда => возникнет внутреннее U. Это U будет препятствовать диффузионному току и он будет падать. С другой стороны наличие внутреннего поля обусловит появление дрейфого тока неосновных носителей. В конце концов диффузионный ток станет = дрейфовому току и суммарный ток через переход будет = 0
U контакта≈jтln((Pp0)/(np0))
jт≈25мB температурный потенциал при 300 К
Uк=0,6-0,7В Si;0,3-0,4В Ge.
Различают 3 режима работы p-n перехода:
1)Равновесный (внешнее поле отсутствует)
|
р |
|
n |
2) Прямосмещенный p-n переход.
|
р |
|
n |
В результате Uвнпадает =>возникает диф. ток электорнов I=I0 eU/mjт
m ≈ 1 Ge
2 Si I0 тепловой ток.
I обусловлен основными носителями зарядов. Кроме него ток неосновных носителей будет направлен встречно.: I= I0(eU/mjт-1)
3)Обратно смещенный p-n переход I- обусловлен токами неосновных носителей I=- I0
|
р |
|
n |
ВАХ p-n перехода
|
I |
|
U |
|
Ge=0,3-0,4 B |
|
Si=0,6-0,8B |
Емкости p-n переходов.
Различают: -барьерную, -диффузионную.
Барьерная имеет место при обратном смещении p-n перехода. Запирающий слой выступает как диэлектрик =>конденсатор e=f(U) Эта емкость использована в варикапах.
|
р |
|
n |
|
l |
|
c |
|
U |
C ≈1/√U
|
p n p |
|
-Э |
|
-К |
|
p n p |
|
+Э |
|
+К |
|
p n p |
|
+Э |
|
-К |
|
p n p |
|
-Э |
|
+К |
|
+Б |
|
+Б |
|
-Б +Б -Б |
|
-Б -Б +Б |
Реальные ВАХ p-n переходов.
|
I |
|
U |
|
t1 t2 |
|
|
Реальная |
|
U |
|
3)Пробой p-n перехода :1-лавинный, 2- туннельный, 3- тепловой ( 1,2- обратимые;3-необратимый) I0 ≈ 10 I0
|
I |
|
U |
|
1 2 3 |
П/п диоды.
Прибор с 1м p-n переходом и 2мя выходами
-выпрямительные, А + К
стабилитроны,
-варикапы,
-светодиды,
тунельные,
-обращенный
Маркировка по справочнику
1)Выпрямит. диоды – предназначены для выпрямления ~ I в =
Основные параметры
Iср.пр- средний прямой,Uпр,Uобр.,P-мощность, Iпр.имп.
2)Вч диоды выполняются обычно по точечной технологии
Cд-емкость, Iпр.имп, Uпр.ср, t установления, t востановления,
3)Диод Шотки – диод на основе перехода металл ->п/п, быстродействующий. Uпр.=0,5В, ВАХ не отличается от экспоненты в диапазоне токов до 1010
|
I |
|
U |
|
I max |
|
I min |
|
U cт |
|
I ст |
ВАХ
r=∆U/∆I
чем < тем лучше
|
нагрузка |
|
Rбал |
|
VD |
|
Uст=Uн |
Д814Д => U=12 В Rбал.=(E-Uст.)/(Iст.+Iн.)
Кст.=(∆Е/Е)/(∆U/Uн) ТКН – температупный коэффициент U=(∆U/U)/ ∆t≈0,0001%
|
I |
|
U |
|
U cт |
|
I ст |
в них исп. прямая ветвь ВАХ
КС07А U=0,7B
|
L |
|
C |
|
Cp |
|
Cv |
|
+Uупр |
|
“-“ R |
|
I |
|
U |
Примечание: Для получения высокочастотных колебаний (генератор); пороговые утройсва – тригеры Шмита
|
0,7В |
|
I |
|
U |
|
мВ |
Биполярные транзисторы
П/п прибор с 2-мя и более переходами и с 3-мя и более выводами
|
Б IБ |
|
n-p-n |
|
p n p |
|
Э |
|
К |
|
Б |
Режимы работы БТ
1.)Отсечка – оба перехода закрыты, обратно смещены
2.)Насыщения – оба перехода смещены прямо
3.)Активный режим – эммитеры прямо, колектор обратно
4)Активно инверсный – эммитеры обратно, колектор прямо
Активный режим. Физика работы.
Iк=aIэ+Iко Iко-обратный ток колектора, a-коэффициент передачи тока эмитера
|
p n p |
|
Э |
|
К |
|
Б |
|
Есм=Uэб |
|
+ Uкб - |
|
+ - |
|
Rэ - Еэ + |
|
Uвых Rк + Ек - |
1)Схема с общей базой
Iвх-Iэ
Iвых-Iк
Uвх-Uэб
Uвых-Uкб
2)Схема с общим эмитером
|
Rб + Еб _ |
|
Uвых Rк + Ек _ |
3) Схема с общим колектором
|
Rб + Еб _ |
|
Uвых + Rэ Е _ |
Каждая схема характеризуется семействами входных и выходных статических ВАХ
Iвх=f(Uвх) | Uвых-const
Iвых=f(Uвых) | Iвх-const
|
Iк |
|
Uкэ |
|
отсечка |
|
насыщение |
|
активный режим |
|
Iб |
ВАХ транзисторов
|
Iб |
|
Uбэ |
|
Uк=0 |
Iк=bIб +(Uкэ/r*к)+I*к0 b-коэффициент передачи Iб
b=a/1-a
2)ОБ
|
Iк |
|
Uкб |
|
Iэ |
|
Uэб |
|
Uк=0 |
|
Uк>0 |
|
Iэ4 Iэ3 Iэ2 Iэ1 Iэ0 |
|
Б r б r э |
|
Ск* >> К Iк=bIб r*к Э |
1)ОЭ
rк≈100 Ом rэ=dUбэ/dIб | Uк- const
rэ=2jt/Iэ0 =(Si)≈50мВ/ Iэ0
r*к=dUкэ/dIк | Iб- const ≈100кОм
|
Э r э r б |
|
Ск >> К Iк=αIэ r к Б |
2)ОБ
rэ=dUбэ/dIэ | Uк- const
r*к=dUкб/dIк | Iэ- const
Частотные свойства транзистора
Зависят от емкостей транзистора, межэлектородных емкостей, и от коэффициентов a и b
|
α 1 |
|
0,7 |
|
f –частота среза для α |
|
Четырех полюсник |
|
I1 I2 U1 U2 |
U1=h11ΔI1+h12 ΔU2
ΔI2=h21ΔI1+h22 ΔU2
h11= ΔU1/ ΔI1 │ΔU2=0 – входной сигнал
h12= ΔU1/ ΔU2 │=μ=0 – коэф. обр. отриц. внутр.связи
│ΔI1=0
h21= ΔI2/ ΔI1 │ ΔU2=0 – коэф усиления I
h22= ΔI2/ ΔU2 │=1/rк выходная проводимость
│ΔI1=0
Связь h-параметров с собственными параметрами транзистора
|
ОБ |
ОЭ |
|
|
h11 |
rэ+rб(1-α) |
rб+rэ(1+β) |
|
h12 |
0 |
0 |
|
h21 |
α |
β |
|
h22 |
1/rк |
1/rк*=(1+ β)/rк |
Полевые транзисторы (ПТ)
В ПТ используется носитель заряда одного типа. Работа ПТ основана на управлении R канала ПТ поперечным электрическим полем.
ПТ с: p-n переходом
МДМ или МОП
«+»- очень простые, высокая технологичность, большое Rвх., малая стоимость.
«-»-малая крутизна
ПТ с p-n переходом
|
n-тип + сток - затвор подложка + - исток |
|
_ |
|
+ |
|
- + |
|
и з с n p n |
|
З |
|
С |
|
И |
|
+ Uзи - |
|
- + |
|
p n p |
|
ΔUси |
|
ΔIc |
|
Iс |
|
Uси |
|
Оммическая обл. |
|
Uзи4 |
|
Uзи2 |
|
Uзи3 |
|
Uзи=0 |
rc=ΔUcч/ΔIc
Uзи=const(отсечки)
≈10-100кОм
Стокозатворная характеристика
|
ΔUзи |
|
ΔIc |
|
Uзи |
|
Iс |
|
Iс начальный. |
|
n-канал p-канал. |
крутизна:
S=(dIc/dUзи)
Uc=const
(МДП)-транзисторы-МОП
|
каналом |
МОП: -с встроенным
|
_ и |
|
+ с |
|
+ з |
|
п |
|
_ и |
|
+ с |
|
- з + |
|
п |
|
дырки электроны встроенный канал |
|
+ и - з - с n p n |
|
вых ↓ |
|
Iс |
|
Uси |
|
-Uзи1 |
|
Uзи2 |
|
Uзи1 |
|
Uзи=0 |
ВАХ:
стокзатворная изолированный канал
|
U порог |
|
Uзи |
|
Iс |
|
p-кана n-канал. |
|
Un=0 |
Встроенный канал
|
U порог |
|
Uзи |
|
Iс |
|
p-кана n-канал. |
|
U отсеч |
|
Un=0 |
|
rвх=∞ S=ΔIc/Δзи r=ΔUси/ΔIc |
|
Un=0 |
rк=1/s “+”высокое Rвх 1012…14 Ом, высокие допустимые напряжения
Применение:цифровая схемотехника, аналоговые ключи, входные-выходные каскады усилителей мощности, управляемые R.
Терристор
П/п прибор с 3-мя и более p-n переходами, применяется для переключения токов. Различают 2-х электродные – динистор и 3-х электродные – тринистор.
|
p n p n |
|
К- |
|
А+ |
|
Базы |
|
П1 П2 П3 |
|
VS |
|
|||
Если преложить «+» к аноду то П1-П3 смещаются прямо ->их R мало, П2 смещается обратно. По мере возрастания Uлк ширина П2 увеличивается ->и с Uак создается U пробоя ->динистор открывается. После пробоя П2 его R резко падает и внешнее Uак перераспределяется на П1и П3 ->резко возрастает напряжение, ->I тоже растет ->возникает «+» обратная связь. Чем больше открывается П2, тем больше отпирается П1 и П3,тем больше I.
|
+E Rн VS |
|
Iоткр мах Iвкл Iзкр |
|
Uоткр Uзкр Uвкл Uак |
Если U на динисторе =0 тогда ток определяется отношением E/Rн
|
VS |
|
R C |
|
U E Uвкл |
Тринистор:
|
К- |
|
+U Ra А |
|
П1 П2 П3 |
|
p n p n I упр |
|
U вкл |
|
I упр |
|
A n p K |
|
Iоткр мах Iвкл |
|
Uвк1 Uвк2 Uвкл Uак |
|
Iупр1 Iупр2 Iупр=0 |
|
Импульс управл |
|
I упр |
Пр.
|
Iоткр мах Iвкл |
|
Uвк1 Uвк2 Uвкл Uак |
|
Iупр1 Iупр2 Iупр=0 |
|
wн wв w в |
|
К0 Кн |
Элементы оптоэлектороники
Световой луч играет роль эл. сигнала =>
«+» - нет влияния электромагнитных помех
-полная эл. развязка
-широкий диапозон частот
-согласование цепей
«-» нельзя свет преобразовать в механическое движения
Основной элемент – оптрон -> пара с фотонной связью
ИС - источник света, ФП – фотоприемник.
|
ИС |
|
ФП |
|
h(t) d 0,9 0,1 t0 tуст |
|
t |
В качестве ИС : лампы накаливания, лазеры.
В качестве ФП :фото диоды, транзисторы, резисторы
Светодиод
|
+I пр |
|
B |
|
I пр |
В- яркость (канд/м2 )
«+» - Широкий линейный участок
Фотодиод
П.П прибор с одним p-n переходом ВАХ которого изменяется под действием светового потока. Освещение п/п увеличивает концентрацию неосновных носителей заряда,увеличивает обратный ток
Различают 2 режима работы:
а)генераторный
|
I темновой I U Iф1 Iф2 Iф3 Iф4 |
|
-I Rн + |
Iф-фототок Iобщ=Iф-Iт (e-U/mjT-1)
Фототранзистор.
|
+Eк Rк Rб + Есм Rэ |
|
Iк |
|
Uкэ |
|
Ф3 |
|
Ф2 |
|
Ф1 |
|
Ф=0 |
|
Ф4 |
ВАХ
Электронные усилители
Это наиболее распространенные устройства в электротехнике. В общем смысле усилитель есть преобразователь энергии источника питания в энергию сигнала нагрузки, под действием входного управляющего сигнала, у которого значительно меньше энергии. Материальной моделью усилителя является его дифференциальное уравнение.
Усилитель-нелинейный элемент однако в линейных усилителях нелинейность мала и поэтому нелинейные дифференциальные уравнения линеаризируют =>получая комплексный коэффициент передачи усилителя:
К(jω)=ΔUвх(jω)/ΔUвх(jω)
АЧХ-│К(jω)│ ФЧХ-argК(jω)
Модель усилителя:
|
Ri I1 Zвых I2 U1 Zвх U2 Zн ~ eвх е=U2xx |
1)Kхх-комплексное число усиления
К0 модуль коэффициента усиления
2)Zвх- сопротивление U1/I1
3)Zвых- сопротивление Uxх/Iкз
Класификация.
1) По входному и выходному сигналу(I,U,P)
2) По роду сигнала:переменные, постоянные, импульсные
3) По принципу связи между каскадами:с емкостной, трансформаторной, оптической и др.
Искажение усилительных устройств
Важным показателем усилителей является точность вопроизведения на выходе входного сигнала. Всякое отклонение является искажением Uвых=kUвх
Искажения бывают линейные нелинейные и переходные. Линейные возникают из-за частотной зависимости Кусил.
Частотные
Мн=К0/Кн Мн(Дб)=20lg(К0/Кн) Мв= К0/Кв
Фазовые искажения
|
j p/2 -p/2 |
|
w |
Переходные искажения считают всякое отличие от переходной характеристики h(1) усилительного устройства от функции единичного скачка
Нелинейные искажения объясняются наличием нелинейных элементов(все п/п элементы, катушки, конденсаторы)
В результате спектр выходного сигнала обогащается высшими гармониками и получаются нелинейные искажения.
|
Uвых |
|
Uвх |
Коэфициент нелинейного искажения (КНИ)
|
N |
|
|
å U2mn |
|
|
Кни=Ö |
n=2 |
|
N |
|
|
å U2mn |
|
|
n=1 |
2)Коэффициент гармонических искажений
|
N |
|
|
å U2mn |
|
|
Кги=Ö |
n=2 |
|
|
|
|
U2m1 |
|
|
|
Кг=Um3/Um1
3)Шумы усилителя, дрейф нуля.(шумы тепловые, дротовые, фригерные)
Обратная связь усилительных устройств.
Современные усилители обладают значительными разбросами параметров, нелинейностью, температурной нестабильностью.Наиболее эффективный способ уменьшения этих факторов есть введение глубокой отрицательной обратной связи (входное напряжение формируется как результат вычитания входного напряжения и части выходного сигнала, причем так чтоб свести отличия к минимуму). Тем самым компесируется влияние всех факторов приводящих к отличию от входного сигнала: частотные искажения и нестабильность параметров усиления
Различают обратные связи по постояному и переменному току, положительные и отрицательные.
Разновидности ОС
ОС различают по способу получения сигнала:
|
Uос |
2)ОС по току
|
Uос |
|
Zос |
3)Комбинированные
По способу введения сигнала ОС
|
Rc e~ |
|
Uос Rос |
|
Rc e~ |
|
Uос Rос |
3) Комбинированные
|
E Uвх U1 Uвых=U2 U + K Uос b |
γ=U1/ec½U2=0
b=U1/U2½ ec =0 U2=KU1
Koc=U2/ ec =KU1/ ec
U1= ec γ +bU2= ec γ +bKU1
U1=( ec γ /1-Kb)
Koc=(K γ /1-Kb)=K γ /F=K γ /(1-T)
F- глубина ОС (½F½<1 - ПОС, ½F½>1 - OОС)
T- петлевое усиление (по петле ОС)
ООС усилителя уменьшает К в F(глубину) раз
ООС усилителя уменьшает нестабильность параметров усилителя в F(глубину) раз
|
R2 R1 - + K |
Кос=(-γК/1+Kb)= -γ/((1/k)+b)»-γ/b (так как на входе «-»)
γ=R2/(R1+R2) b= R1/(R1+R2) Kос= -(R2/R1)
Нелинейные искажения усилителя уменьшаются в F(глубину) раз
|
/K/
F F Kос
W1 W2
|
|
w |
Влияние ООС на входное сопротивление усилителя.
Если ООС последовательная,то Rвхос=Rвх(1+Кххb)+Rb»RвхF
Rвх увеличивается в глубину раз.
Если ООС параллельная то Rвхос»Rвх||(Rb/F)» Rb/F
Rвх уменьшается в глубину раз.
Влияние ООС на выходное сопротивление
Если ООС по напряжению то Rвыхос =Rвых/F
Если ООС по току Rвыхос =Rвых+RосF
Основные функционыльные элементы УУ
1)Элементы задания режима покоя. Педназначены для задания рабочей точки. Рабочая точка характеризуется: рабочими токами и напряжениями.
Iб, Uбэ, Uкэ, Iко
В качестве элементов обычно используются резисторы, реже диоды, стабилитроны, ИП
2)Элементы стабилизации режима покоя
Введение последовательной ООС по току
|
Uбэ Uвх Rэ Uэ |
Uбэ=Uвх-Uэ
Uэ=Uос
|
Rк Rос Rг VT |
Введение параллельной ООС по напряжению
3)Элементы связи УУ
-Гальваническая –Емкостная -Индуктивная
-Оптическая
|
+Eк R1 Rк Rг Ср1 Ср2
Е R2 Rэ Сэ Rн |
С1-разделительный
R1 R2-базовый делитель(для задания U на базе)
Uэ-Uос (для термостабилизации)
Сэ-для устранения ОС по ~ I
Rк-для снятия вых U
Характеристики RC цепей
Дифференцирующая цепь Интегрируюшая цепь
К(jω)=U2(jω)/U1(jω)
АЧХ=½К(jω)½ ½Z½=Ö(a2+b2)
ФЧХ=argК(jω) argZ=arctg(b/a)
Xc=1/ jωc
K(jω)=Z2/(Z1+Z2)=R/(R+(1/ jωc))=RjωC/(Rjωc+1)=
+=ωt/jωt+1=½ К(jω)½= ωt/Ö1+( ωt)2
argК(jω)=arctg∞= arctg(jω)= π/2- arctg(ωt)
1 1
ФЧХ -p/2
p/2
Интегрирующая
К(jω)=Z2/(Z1+Z2)=(1/jωc)/(R+1/(jωc)=1/(Rjωc+1)=
=1/(jω t+1)
К(jω)=1/√(1+( ω t)2)
arctg K(jω)=arctg0-arctg ω t= - arctg ω t