ЭлектроникаОсновы 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 другу электронное облако перекрывается смещение энергетических уровней 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. Е=Епр-Ев Ширина запрещенной зоны в пределах 0,1 ~ 3,0 эВ (электрон вольт) характерна для п/п | 1 Проводник 2 П/П ¬ 3 Диэлектрик | Наибольшее распространение имеют П/П Кремний, Германий, Селен и др.
Рассмотрим кристалл « Ge »  При Т > 0К электроны ( заряд -q) отрываются образуют свободные заряды 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 n роводимость в чистом П/П обоснована свободными электронами или дырками. d = d n + d p =q m n r n +q m p r p 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 ° )  ТКС > 0 у П/П ТКС 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) П рим-ют для защиты терристоров от перенапряжения 3)Фотосопротивление – R зависит от светового потока применяют в сигнализации, фотоаппаратуре 4) Тензорезисторы – R зависит от механич деформаций  сильфоны ) 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=(i n ) Д +( i p ) Д +(i n ) Е +( i p ) 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, qм , qп/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 2 х Ge с различными типами проводимости . р n Обычно переходы изготавливают несемметричными p p >> n n Если p p >> n n то pобласть эмитерная , nобласть - 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 j т ln ((Pp 0 )/(np 0 )) j т 25 м B температурный потенциал при 300 К U к =0,6-0,7В Si;0,3-0,4 В Ge . Различают 3 режима ра б оты p-n перехода : 1) Равновесный ( внешнее поле отсутствует ) 2) Прямосмещенный p-n переход. В результате U вн падает => возникает диф . ток электорнов I=I 0 e U /m j т  m 1 Ge 2 Si I 0 тепловой ток. I обусловлен основными носителями зарядов. Кроме него ток неосновных носителей будет направлен встречно .: I= I 0 ( e U /m j т -1) 3) Обратно смещенный p-n переход Iобусловлен токами неосновных носителей I=- I 0 ВАХ p-n перехода  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 . C 1/ U  p-n перехода C д = dQ изб / dU Реальные ВАХ p-n переходов.  | | | t1>t2 10°C I 0=> Si=2,5 Ge=2 | |  R базы 3)Пробой p-n перехода :1-лавинный, 2- туннельный, 3- тепловой ( 1,2- обратимые;3-необратимый) I 0 10 I 0  П/п диоды . Прибор с 1 м p-n переходом и 2 мя выходами  -выпрямительные, А + К   стабилитроны,   - варикапы , - светодиды ,   тунельные , -обращенный Маркировка по справочнику 1)Выпрямит. диоды – предназначены для выпрямления ~ I в = Основные параметры I ср.прсредний прямой, U пр , U обр ., Pмощность, I пр.имп . 2) Вч диоды выполняются обычно по точечной технологии C д-емкость , I пр.имп , U пр.ср , t установления, t востановления , 3)Диод Шотки – диод на основе перехода металл ->п/п, быстродействующий. U пр.=0,5В, ВАХ не отличается от экспоненты в диапазоне токов до 10 10  4)Стабилитрон – это параметрический стабилизатор напряжения, стабилизирует напряжение от единицы до сотен вольт. U ст – обратная ветвь ВАХ; пробой лавинный ВАХ r= U/ I чем тем лучше Д814Д => U =12 В R бал. =( E-U ст.)/ (I ст.+ I н. ) Кст.= ( Е/Е)/( U/U н ) ТКН – температупный коэффициент U=( U/U)/ t 0 ,0001%  5) Стабистор – предназначен для получения малых стабильных напряжений в них исп . прямая ветвь ВАХ КС07А U=0,7B  6) Варикап –параметрическая емкость, вкл . в обратном смещении.
Примечание :- в системах авто –подстройки частоты в телерадио и т.д.;-получение угловой модуляции(угловой или фазовой)  7) Тунельный диод ВАХ имеет участок «-» R Примечание: Для получения высокочастотных колебаний (генератор); пороговые утройсва – тригеры Шмита  8) Обращенный диод – это разновидность тунельного - в нем нет «-» R , - в работе используют обратную ветвь ВАХ Биполярные транзисторы П/п прибор с 2-мя и более переходами и с 3-мя и более выводами   n-p-n, p-n-p 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. I к= a I э+ I ко I ко-обратный ток колектора , a - коэффициент передачи тока эмитера  Схемы включения транзисторов. 1)Схема с общей базой I вх - I э I вых - I к U вх - U эб U вых - U кб 2)Схема с общим эмитером 3) Схема с общим колектором Каждая схема характеризуется семействами входных и выходных статических ВАХ I вх = f(U вх ) | U вых - const I вых = f(U вых ) | I вх - const   ВАХ транзисторов  1)ОЭ I к= b I б +( U кэ / r* к )+ I* к 0 b -коэффициент передачи I б b = a /1- a 2)ОБ   I к= a I э+ I к 0 +( U кб / r к) r* к=( r к/1+ b ) I* к 0 = I к 0 (1+ b ) | Ск * >> К I к= b I б r* к Э |  Малосигнальная эквивалентная схема замещения транзистора 1)ОЭ r к 100 Ом r э = dU бэ / dI б | U кconst r э =2 j t / I э 0 =( Si ) 50 мВ / I э 0 r* к = dU кэ / dIк | I б - const 100кОм  Ск* = Ск (1+ b ) 5-15мкФ 2)ОБ r э = dU бэ / dI э | U кconst r* к = dU кб / dIк | I э - const Частотные свойства транзистора Зависят от емкостей транзистора , межэлектородных емкостей , и от коэффициентов a и b  f ср = f ср a / b – для b  h – параметры транзистора  U 1 =h 11 I 1 +h 12 U 2 I 2 =h 21 I 1 +h 22 U 2 h 11 = U 1 / I 1 U 2 =0 – входной сигнал h 12 = U 1 / U 2 = =0 – коэф . обр . отриц . внутр.связи I 1 =0 h 21 = I 2 / I 1 U 2 =0 – коэф усиления I h 22 = I 2 / U 2 =1/ r к выходная проводимость I 1 =0 Связь hпараметров с собственными параметрами транзистора | | ОБ | ОЭ | | h 11 | r э+ r б(1- ) | r б+ r э (1 + ) | | h 12 | 0 | 0 | | h 21 | | | | h 22 | 1/ r к | 1/ r к *=(1+ )/ r к | 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 R вх ., малая стоимость. «-»-малая крутизна ПТ с p-n переходом | nтип + сток - затвор подложка + - исток |   Структура и работа.  ВАХ: выходная r c= Uc ч/ Ic U зи = const ( отсечки) 10-100 кОм Стокозатворная характеристика крутизна: S=( dIc / dU зи ) Uc=const ( МДП )- транзисторы -МОП МОП: -с встроенным   -с индуцируемым | дырки электроны встроенный канал |  Структура и работа .  Работа основана на явлении изменения проводимости при поверхностном слое полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля . ВАХ: стокзатворная изолированный канал Встроенный канал  cтокзатворная | r вх = S= Ic / зи r= U си/ Ic | r к =1/ s “+” высокое R вх 10 12…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 .  Динистор : структура и работа Если преложить «+» к аноду то П1-П3 смещаются прямо ->их R мало, П2 смещается обратно. По мере возрастания U лк ширина П2 увеличивается ->и с U ак создается U пробоя -> динистор открывается. После пробоя П2 его R резко падает и внешнее U ак 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.  Ток через динистор , когда он открыт, ограничивается внешними элементами  ВАХ Если U на динисторе =0 тогда ток определяется отношением E/R н   Тринистор :   создовать условия для раннего отпирания тринистора -> I управл.может управлять моментом отпирания    Пр.  Симисторы . 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. В качестве ИС : лампы накаливания, лазеры. В качестве ФП :фото диоды, транзисторы, резисторы Светодиод   П.П прибор с одним p-n переходом свечение которого вызывается рекомбинацией носителя заряда при прямом смещении Вяркость ( канд / м 2 ) «+» - 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 I ф1 I ф2 I ф3 I ф4 |  б)фотодиодный I ф-фототок I общ= I ф -I т (e -U/m j T -1) Фототранзистор.  Могут работать с заданным смещением и с плавающей рабочей точкой  Работа: свет попадает в базу, образуются электрончики которые уменьшают барьер эмитерного перехода и увеличивают диффузионный ток транзистора. 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( j ) = U вх ( j ) / U вх ( j ) АЧХК( j ) ФЧХarg К( j ) Модель усилителя: | Ri I 1 Z вых I 2 U 1 Z вх U 2 Z н ~ e вх е = U 2xx |  e=K хх U 1 1)K хх-комплексное число усиления К 0 модуль коэффициента усиления 2) Z вх - сопротивление U 1 /I 1 3)Z вых - сопротивление Ux х / I кз 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 U вых = kU вх Искажения бывают линейные нелинейные и переходные.
Линейные возникают из-за частотной зависимости К усил . Частотные Мн =К 0 / Кн Мн ( Дб )=20 lg ( К 0 / Кн ) Мв = К 0 / Кв Фазовые искажения  Появление дополнительного фазового сдвига между U вх и U вых 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.  Рассмотрим амплитудную характеристику усилителя  Коэфициент нелинейного искажения (КНИ) | | N | | | U 2 m n | | Кни = | n=2 | | N | | | U 2 m n | | | n=1 |  2) Коэффициент гармонических искажений | | N | | | U 2 m n | | Кги = | n=2 | | | | | U 2 m 1 | | | | Кг= Um 3 /Um 1 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.
|
