Електронні прилади та пристрої. Застосування електронних приладів та пристроїв Основні характеристики електронних приладів

Клас 2lg, 13,-„

СС Ср № 63799

4 рл І;,-..:,і- -., „р,Р анн оса

Зар гГГслГрировано на F>cg.c з,",ретеніїГс Держплану СРСР (\ г l.гв Г. Гр.

А. Г. Олександров

Заявлено 31 січня 1941 року в Наркомелектропромі еа X 40368 (304420) Опубліковано 31 травня 1945 року

Даним винаходом пропонується спосіб зняття статичних характеристик електронних приладів з плавним електростатичним управлінням.

Для ряду практичних цілей буває необхідно мати характеристики зазначених приладів, зняті в залежності від потенціалу електрода, що управляє, при незмінних потенціалах на інших електродах. Для ламп малої потужності ці характеристики зазвичай знімаються простим точковим способом. 3а останнім часом з'явився ряд спеціальних пристроїв, що дозволяють на екрані електронного осцилоскопа отримувати відразу сімейство статичних характеристик.

Для потужних електродних ламп, наприклад, потужних генераторних ламп, питання про зняття статичних характеристик є більш серйозним, так як їх електроди, не розраховані на великі навантаження, не в змозі витримати потужностей, які можуть розсіюватися на них при знятті повних статичних характеристик.

Далі є ряд таких ламп, які не в змозі витримати навіть тих полегшених режимів, в яких вони перебували б у спеціальних схемах для зняття сімейства статичних характеристик осцилоскопічним методом.

У ряді спеціальних фізичних досліджень активованих складних катодів, наприклад, оксидних, буває необхідно вести вимірювання струму електронної емісії в таких режимах, що катод помітно не нагрівався за рахунок накладання вимірюваного струму на струм розжарення.

Зазначені труднощі легко дозволяються використанням пропонованого способу, сутність якого може бути зрозуміла з наступного опису та розгляду фіг. 1 вЂ" 8 креслення.

На фіг. 1 показана досліджувана електронна лампа 1, в ланцюг керуючого електрода якої періодично подаються вузькі імпульси напруги від опору 14, включеного послідовно з джерелом зміщувальної сіткової напруги про, заблокованого ємністю 9.

Періодичні вузькі імпульси напруги виходять від конденсатора 25, що заряджається від регульованого джерела постійного струму 21 через потенціометр 22 та

¹ 63799 опору 28 і 24. Вказаний конденсатор періодично вимушено розряджається через тиратрон

26, періодично вимушено запалюється за допомогою пікового трансформатора 27, вторинна ланцюг якого включена послідовно з джерелом напруги, що зміщує 30 через потенціометр 29.

Для обмеження струму сітки у ланцюг сітки цього тиратрону введено обмежувальний опір 28.

Розряд конденсатора виробляється на безіндукційний опір

14 включене в ланцюг керуючого електрода досліджуваної електронної лампи. Потенціали інші електроди подаються від джерел постійного струму 2, 3, 4 і т. д., які можуть бути регульовані. Ці джерела заблоковані досить великими ємностями 6, 7, 8 і т. д. з тією метою, щоб при проходженні через зазначені електроди імпульсів струму не було помітного зниження потенціалів на електродах і тим самим спотворення характеристик, що знімаються. Ця обставина має особливе значення у випадках, коли джерела, які живлять ланцюги електродів, малопотужні і мають великі внутрішні опори.

Напруги джерел 2, 3, 4, 5 можуть бути вимірювані за допомогою вольтметрів постійного струму 31, 82, 88, 34. У ланцюги електродів введені заздалегідь відомі безіндукційні опори 10, 11, 12, 18, на яких виходять вузькі імпульси падіння напруги через них вузьких імпульсів струмів. Ці падіння напруги за допомогою 15 комутатора подаються до допоміжного пристрою, за допомогою якого вони можуть бути почергово виміряні.

Допоміжний вимірювальний пристрій складається з джерела постійного струму 17 потенціометра

16, вольтметра постійного струму 18, вентиля 20 та індикатора струму 35.

На рис. 2 суцільною лінією показана в часі крива напруги, наявного безпосередньо між сіткою і катодом тиратрона 26. Пунктирною лінією на цій фігурі показана в часі крива напруги, що зміщує на потенціометрі 29.

На фіг. 3 показана в часі крива напруги на конденсаторі 25, що заряджається протягом часу 1, від джерела 21 і протягом часу 1 розряджається на опір 4. Таким чином, період коливання дорівнює t,+t,=Т.

Цей період, у свою чергу, дорівнює періоду коливань напруги, що підводиться до трансформатора 27. Коливання взяті вимушеними, тому що в цьому випадку виходить чіткіша картина і забезпечуються більш точні вимірювання. Принагідно слід зазначити ще й ту обставину, що використання періодичних коливань має безперечні переваги перед одиничним імпульсом. Справа в тому, що метод періодичних імпульсів безумовно забезпечує більшу точність, відкидає елемент випадковості і, крім того, значною мірою: економить час, що витрачається на вимірювання.

На фіг. 4 показана в часі крива напруги, що є безпосередньо між сіткою та катодом досліджуваної лампи. Як видно з цього графіка, крива сіткової напруги має вигляд дуже вузьких імпульсів. Максимальне значення кривої імпульсів може бути легко регульовано" або зміною напруги за допомогою потенціометра 22, або зміною напруги джерела

5. Таким чином можна змінювати напругу керуючого електрода (сітки).

На фіг. 5 показана в часі зразкова крива імпульсу струму ланцюга будь-якого з електродів. Ця крива відповідає кривій фіг. 4.На фіг. 6 схематично показана в часі приблизна крива імпульсу ланцюга якого-небудь з електродів з сильно розтягнутою. віссю часу. На цьому ж графіку показано пунктирні лінії 2, 8, 4„ відносяться до напруги на потенціометрі 63799 16. Тут показані три випадки. Лінія 2 відноситься до того випадку, коли напруга на потенціометрі 16 більше максимального значення на відповідному безіндукціо іншому опорі в ланцюзі того або іншого електрода, тобто Й„>1„,Р.

В цьому випадку вентиль 20 буде замкнений, так як його анод негативний по відношенню до катода.

Крива 2 на фіг. 6 відноситься до того випадку, коли П„= I„,Ь.

Цей випадок є критичним, для якого і вимірюється. Вимірявши за допомогою вольтметра 18 напруга на потенціометрі в цьому випадку і, знаючи заздалегідь даний опір легко визначити значення імпульсу струму 1„,.

Крива 4 на фіг. 6 відноситься до того випадку, коли U„(I„,Â.

В цьому випадку анод вентиля 20 буде позитивний по відношенню до його катода і через нього піде струм, середнє значення якого буде виміряно приладом 85. Поява струму буде ознакою того, що критичний режим перейдений і тому потрібно збільшувати напругу на потенціометрі 16.

Як вентиля 20 можна взяти найменший кенотрон (діод), або тріод, у якого сітка приєднана до анода. Напруження кенотрону слід живити від джерела постійного струму, причому загальна точка повинна бути виконана на мінусовому кінці накального джерела (для уникнення впливу нееквіпотенційності катода і початкових швидкостей електронів).

Крім компенсаційного методу вимірювання імпульсів струму може бути використаний осцилоскопічний або осцилографічний метод. Для цієї мети показані пунктиром на фіг. 1 провідники

86 приєднуються до пари відхиляють пластини осцилоскопа, що дають відхилення електронного променя по вертикалі; інша ж пара відхиляють пластин приєднується до джерела з пилкоподібної кривої напруги, причому це джерело синхронізований з джерелом 27, що подає змінну напругу в ланцюг тиратронової сітки

26. На екрані осцилоскопа при цьому з'являться чіткі імпульси падіння напруги (див. фіг. 5), які заміряли за допомогою попередньої градуювання і зн; я заздалегідь значення безіндукційних опорів в ланцюгах електродів, можна визначити і самі значення імпульсів струму, При цьому вимірі обов'язково слід застосовувати електронний осцнлло коп або осцилограф. Застосування шлейфного електромагнітного осцилографа має дати значні похибки з-;-.а великої інерційності системи.

Спосіб подачі імпульсів у ланцюг керуючого електрода та вимірювання струмів у ланцюзі інших електродів має ряд істотних переваг. Насамперед значною мірою зменшується потужність тиратрону, що розряджає конденсатор. Потім виходить можливість вимірювання струмів в ланцюзі будь-якого електрода при будь-яких потенціалах інших електродах, чого не можна мати в тому випадку, коли імпульс струму вимірюється в ланцюзі того електрода, до якого підводиться імпульс потенціалу.

При реальному методі лампа „відмикається” тільки в ті моменти, коли на керуючий електрод подається імпульс потенціалу.

Зразкові статичні характеристики, одержувані пропонованим способом, наводяться на фігурах

Предмет винаходу

1. Спосіб зняття статичних характеристик електронних приладів з плавним електростатичним управлінням, отли чающі і з тим, що в ланцюг керуючого електрода послідовно з регульованим напругою зміщення пе№ 63799 ріодично подають має форму вузьких імпульсів напруга від заряджається від стороннього джерела і заряджається від стороннього джерела допомогою тират рона конденсатора, а до інших електродів обстежуваного електронного приладу через заздалегідь відомі безіндукційні опори прикладають регульовані напруги від джерел постійного струму, заблокованих ємностями, причому, отримані при цьому MQKcHMBJlbHblp. значення імпульсів струмів у ланцюгах цих електродів вимірюють по імпульсах падіння напруги на зазначених вище опорах, до яких через вентиль і індикатор струму прикладають регульовану компенсуючу напругу.

2. Пристрій для здійснення способу п. 1, що відрізняється застосуванням для вимірювання максимальних значеньімпульсів у ланцюгах електродів обстежуваної електронної лампи електронного.осцилоскопа або осцилографа., одна пара відхиляючих електродів", якого приєднана до кінців або частини опорів, введених у ланцюги електродів, а до іншої пари відхиляючих електродів підведено пилкоподібну напругу, синхронізоване з джерелом змінної напруги, що подається в ланцюг керуючого електрода тиратрону, що періодично розряджає конденсатор.

Техн. редактор М. В. Снольяк'ва

Відп. редактор Д. А. Михайлов

Друкарня Держпланздату, ні. Воровського, Калуга

Л!49953. Підписано до друку 25 XI 1946 Тираж 500 прим. Ціна 65 коп. Зак. 325

Електроніка– галузь науки і техніки, що вивчає та застосовує пристрої, робота яких заснована на протіканні електричного струму у вакуумі, газі та твердому тілі. Велика швидкодія та висока надійність електронних пристроїв зумовили їх широке застосування у обчислювальній техніці, радіотехніці, засобах зв'язку, навігації, в промисловості тощо. За допомогою електронних пристроїв відбувається перетворення електричної енергіїджерела живлення в енергію корисного сигналу (підсилювачі, генератори сигналів та ін), перетворення змінного струмуу постійний (випрямлячі) та постійного на змінний (інвертори), перетворення видів енергії, регулювання напруги, частоти тощо.

В електронних пристрояхперетворення електричної енергії та сигналів здійснюється за допомогою електронних приладів (електронних активних елементів). Окрім електронних приладів у них використовуються джерела живлення та пасивні компоненти: резистори, конденсатори, котушки індуктивності.

В даний час використовуються переважно напівпровідникові електронні прилади. У них перенесення електричних зарядіввідбувається у твердому тілі (напівпровіднику). До них відносяться діоди, транзистори, тиристори та ін.

Напівпровідниковий діод(рис. 1) є двошаровою структурою, яка утворюється в одному кристалі. Один шар має електропровідність n-типу, а інший р-типу. У цілому нині ця структура називається р-n-переходом чи электронно-дірковим переходом. Основною властивістю електронно-діркового переходу є його одностороння електропровідність.

Рис.1. Напівпровідниковий діод: а) напівпровідникова структура діода;

б) умовне графічне позначення; в) вольт – амперна характеристика

При прямому змішуванні р-n перехіда його електрична провідність зростає і через перехід проходить струм, що сильно залежить від прикладеної напруги. При зворотному зміщенні р-n-переходу електрична провідність переходу зменшується і електричний струмчерез нього практично не проходить.

Напівпровідниковий діод із зворотно зміщеним р-n-переходом, у якого при порівняно малих змінах зворотної напруги в області, близькій до напруги пробою, різко збільшується зворотний струм. стабілітроном(Рис. 2). Він використовується для створення стабілізаторів напруги.

Напівпровідниковий стабілітрон: а) умовне графічне позначення; б) вольт – амперна характеристика

Варикапомназивають напівпровідниковий діод із зворотно зміщеним p-n-переходом, застосовуваний як конденсатор змінної ємностідля електронного налаштуваннячастотно-виборчих кіл (рис. 3).

Рис.3. Напівпровідниковий варикап: а) умовне графічне позначення;

б) вольт - фарадна характеристика

Напівпровідникові тріоди (транзистори) поділяються на біполярні та польові.

Біполярним транзисторомназивається напівпровідниковий прилад із двома р-n-переходами (рис. 4). Він має тришарову структуру n-р-n- або р-n-р-типу. Середня область між двома р-n-переходами називається базою. Товщина її стає досить малою. Сусідні області називаються емітером та колектором. Відповідно р-n-перехід емітер-база називається емітерним, а перехід база-колектор – колекторним.

Рис.4. Напівпровідникова структура та умовне графічне позначення біполярних транзисторів: а) n-p-n-типу; б) p-n-p-типу

Польовим транзисторомназивається напівпровідниковий прилад, опір якого змінюється під дією поперечного електричного поля, створюваного прилеглим до провідного обсягу напівпровідника керуючим електродом (затвором). Розрізняють два види польових транзисторів: з керуючим p-n-переходом(Рис. 5) та ізольованим затвором(Рис. 6).

Рис.5. Напівпровідникова структура та умовне графічне позначення польового транзистора з керуючим p-n-переходом: а) з каналом n-типу; б) з каналом р-типу

Рис.6. Напівпровідникова структура та умовне графічне позначення польового транзистора з ізольованим затвором: а) із вбудованим каналом; б) з індукованим каналом

На відміну від біполярних транзисторів, в яких управління перенесенням зарядів здійснюється зміною струму бази, в польовому транзисторі управління струмом проводиться зміною напруги, що регулює ширину каналу, по якому проходить струм. Область каналу, від якої починається рух носіїв, називається початком, а область, до якої рухаються основні носії - стоком. Управляюча область у приладі, що охоплює канал, називається затвором. Змінюючи напругу між затвором та витоком, змінюють переріз каналу.

Багатошарові структури з трьома p-n-переходами називають тиристорами. Їх основною властивістю є здатність перебувати у двох станах стійкої рівноваги: максимально відкритому (з великою провідністю) та максимально закритому (з малою провідністю). З цієї причини вони виконують функцію безконтактного електронного ключа, Що має односторонню провідність. Тиристори з двома висновками (двоелектродні) називаються діодними тиристорами (диністорами), а з трьома (трехелектродні) – або тріодними тиристорами (триністорами),або симетричними тиристорами (симісторами),якщо вони здатні проводити струм в обох напрямках (рис. 7).

Рис.7. Тиристори: напівпровідникова структура: а) діодного тиристора (диністора); г) тріністора; ж) симетричного тиристора (симістора); умовне графічне позначення: б) діодного тиристора; д) тріністора; з) симістора; вольт-амперні характеристики: в) діодного тиристора; е) тріністора; і) симістора

До напівпровідникових фотоелементів належать: фоторезистор, фотодіод, фототранзистор, фототиристор, світлодіод (рис. 8).

Умовне графічне позначення напівпровідникових фотоелементів: а) фоторезистора; б) фотодіод; в) фототранзистора; г) фототиристора; д) світлодіода

Фоторезисторомназивається напівпровідниковий прилад, опір якого залежить від освітленості. При збільшенні освітленості опір фоторезистора зменшується.

Принцип дії фотодіодузаснований на зростанні зворотного струму р-nпереходу за його освітленні. Фотодіод застосовується без додаткового джерела живлення, оскільки сам є генератором струму, причому сила струму пропорційна освітленості.

У фототранзисторір-n перехід колектор-база є фотодіодом.

Світлодіодивипромінюють світло під час проходження крізь них прямого струму. Яскравість світіння пропорційна прямому струму.

Якщо в одному корпусі поєднати світлодіод і фоточутливий елемент, наприклад фототранзистор, то вхідний струм можна перетворити на вихідний з повним гальванічним поділом ланцюгів. Такі оптоелектричні елементи називають оптронами(Рис. 9).

Рис.9.Умовне графічне позначення напівпровідникових оптронів:

а) резисторного; б) діодного; в) транзиторного; г) тиристорного

Крім фоторезисторів до найпоширеніших напівпровідникових резисторів відносяться: терморезисториі варистори, опір яких змінюється при зміні температури та прикладеної напруги відповідно (рис. 10).

Умовне графічне позначення напівпровідникових резисторів: а) терморезистора; б) варистора

За допомогою розглянутих електронних приладів здійснюються необхідні перетворення електричної енергії та сигналів. Найбільш простим виглядомперетворення є випрямлення змінного струму, складнішими – інвертування постійного струму змінний, посилення, генерування і перетворення сигналів різної форми.

Випрямлячіперетворюють змінну напругу мережі живлення в постійну напругу на навантаженні (рис. 11). Вони застосовуються як джерела вторинного електроживлення. Змінна напруга мережі живлення за допомогою силового трансформатора знижується або підвищується до необхідної величини, а потім випрямляється за допомогою випрямляча. В результаті на виході випрямляча утворюється напруга постійного напрямку, яке є пульсуючим (тобто змінюється в часі за значенням) і тому непридатне для живлення більшості електронних пристроїв.

Рис.11.Структурна схема випрямляча

Для зменшення пульсацій випрямленої напруги на виході випрямляча включають фільтр, що згладжує, а в деяких випадках додатково вводять стабілізатор постійної напруги.

Основні схеми випрямлячівможна поділити на однонапівперіодні(рис. 12) та двонапівперіодні(Рис. 13).

Рис.12.Схеми та часові діаграми однонапівперіодних випрямлячів: а) однофазного; б) трифазного

Рис.13.Двухнапівперідні випрямлячі: однофазні випрямлячі: а) мостова схема; б) із виведенням від середньої точки обмотки трансформатора; в) їх часові діаграми; трифазний випрямляч; г) трифазна бруківка схема; д) її тимчасова діаграма

Фільтри, що згладжуютьпропускають на вихід тільки постійну складову випрямленої напруги та максимально послаблюють його змінні складові. У найпростішому випадку фільтр, що згладжує, може містити тільки один елемент – або дросель з великою індуктивністю, що включається послідовно на виході випрямляча, або конденсатор з великою ємністю, що включається паралельно навантаженню (рис. 14).

Рис.14. Фільтри, що згладжують: а) індуктивний; б) ємнісний; в) їхні часові діаграми

Стабілізатором напругиназивається пристрій, що підтримує напругу на навантаженні із заданою точністю при зміні опору навантаження та напруги мережі у певних межах (рис. 15). Напруга, яку підтримує стабілізатор, задається опорним елементом – стабілітроном (рис. 2).

Рис.15.Схема та часові діаграми параметричного стабілізатора напруги

Підсилювачемназивається пристрій, призначений збільшення амплітуди і потужності вхідного сигналу без зміни інших його параметрів. Підвищення амплітуди і потужності сигналу на виході підсилювача досягається перетворенням енергії джерела постійного струму в енергію вихідного змінного сигналу. У загальному випадкуелектронні підсилювачі є багатокаскадними пристроями. Окремі каскади пов'язані між собою ланцюгами, якими передається змінний (підсилюється) сигнал і пропускається постійна складова сигналу. Каскади виконують за схемою із загальним емітером і із загальним витоком, із загальним колектором та із загальним стоком, із загальною базою та із загальним затвором (рис. 16).

Рис.16. Схеми включення транзисторів із загальним: а) емітером;

б) колектором; в) базою; г) початком; д) стоком; е) затвором

Схема будь-якого каскаду складається з джерела живлення, транзистора та ланцюгів усунення, що забезпечують режим роботи транзистора по постійному струму, тобто режим спокою (рис. 17).

Багатокаскадні підсилювачі є послідовним з'єднанням однотипних підсилювальних каскадів.

У підсилювачах інтегральному виконанні застосовують безпосередній зв'язок між каскадами. Такі підсилювачі можуть посилювати скільки завгодно сигнали, що повільно змінюються, і навіть сигнали постійного струму і тому отримали назву підсилювачів постійного струму. Сучасні підсилювачі постійного струму посилюють сигнали дуже широкому спектрі частот і ставляться до розряду широкосмугових підсилювачів.

Рис.17.Схеми підсилювачів: а) на біполярному транзисторі; б) на польовому транзисторі

Недоліком підсилювачів із безпосередніми зв'язками є зміна вихідної напруги режиму спокою (дрейф нуля) внаслідок нестабільності напруги живлення, температури та інших факторів. Ефективним способомЗменшення дрейфу нуля у таких підсилювачах є застосування диференціальних підсилювальних каскадів.

Диференціальний підсилювачпризначений для посилення різниці двох вхідних сигналів і є симетричною двотранзисторною схемою з об'єднаними емітерами, що має два входи і два виходи (рис. 18).

Рис.18. Диференціальний підсилювач

Операційний посилювач(Рис. 19), як і будь-який інший підсилювач, призначений для посилення амплітуди та потужності вхідного сигналу. Назву «операційний» він отримав від аналогів на дискретних елементах, що виконували різні математичні операції (підсумовування, віднімання, множення, розподіл, логарифмування та ін) в основному в аналогових ЕОМ. В даний час операційний підсилювач найчастіше виконується у вигляді інтегральної мікросхеми.

Рис.19.Операційний підсилювач

Електронними генератораминазивають автоколивальні (самозбудливі) системи, в яких енергія джерела живлення (постійного струму) перетворюється на енергію змінного сигналу потрібної форми.

У генераторах синусоїдальної напругитранзистори працюють у підсилювальному режимі. На відміну від них у генераторах імпульсівтранзистори працюють у ключовому режимі (коли транзистор перебуває поперемінно то повністю відкритому, то повністю закритому стані). У відкритому стані транзистор пропускає максимальний струм і має на виході мінімальну напругу, що визначається її залишковою напругою. У закритому стані його струм мінімальний, а вихідна напруга максимально та близько до напруги джерела живлення. Такий елемент називають транзисторним ключем(Рис. 20).

Рис.20.Схеми транзисторних ключів: а) на біполярному транзисторі; б) на польовому транзисторі; в) їхні часові діаграми

Мультивібратори- це імпульсні генератори з позитивною зворотним зв'язком, у яких підсилювальні елементи (транзистори, операційні підсилювачі) працюють у ключовому режимі.

Мультивібратори не мають жодного стану стійкої рівноваги, тому відносяться до класу автоколивальних генераторів та виконуються на дискретних транзисторах, інтегральних логічних елементах та на операційних підсилювачах (рис. 21).

Рис.21. Схеми автоколивальних мультивібраторів: а) на дискретних елементах; б) на інтегральних логічних елементах; в) на операційному підсилювачі; г) їхні часові діаграми

Інтегральна мікросхема(ІМС) є сукупністю кількох взаємопов'язаних транзисторів, діодів, конденсаторів, резисторів і т. п. Вона виготовлена в єдиному технологічному циклі (тобто одночасно), на одній і тій же несучій конструкції – підкладці та виконує певну функцію перетворення електричних сигналів .

Компоненти, які входять до складу ІМС і не можуть бути виділені з неї як самостійні вироби, називаються елементами ІМС або інтегральними елементами. На відміну від них конструктивно відокремлені прилади та деталі називаються дискретними компонентами, а вузли та блоки, побудовані на їх основі, – дискретними схемами.

Висока надійність та якість у поєднанні з малими розмірами, масою та низькою собівартістю інтегральних мікросхемзабезпечили їх широке застосування у багатьох галузях науки та техніки.

Основу сучасної мікроелектроніки становлять напівпровідникові інтегральні мікросхеми. В даний час розрізняють два класи напівпровідникових інтегральних мікросхем: біполярні та МДП.

Основним елементом біполярних ІМС є n-р-n-транзистор: його виготовлення орієнтується весь технологічний цикл. Інші елементи виготовляють одночасно з цим транзистором без додаткових технологічних операцій. Наприклад, резистори виготовляють з базовим шаром n-р-n-транзистора, тому вони мають ту саму глибину, що й базовий шар. Як конденсатори використовують назад зміщені р-n-переходи, в яких n-шар відповідає колекторному шару n-р-n-транзистора, а шар р - базовому шару.

Логічними елементаминазивають електронні пристрої, що виконують найпростіші логічні операції: НЕ, АБО, І (рис. 22).

Рис.22. Умовне позначення та таблиці істинності найпростіших логічних елементів: а) НЕ; б) АБО; в) І

Логічні функції та логічні операції з них становлять предмет алгебри логіки, чи булевої алгебри. В основі алгебри логіки лежать логічні величини, які позначають латинськими літерами А, В, С, D і т.д. значень логічної величини позначено через А, друге позначають «не А».

Для операцій із логічними величинами зручно застосовувати двійковий код, вважаючи А=1, «не А»=0 чи, навпаки, А=0, «не А»=1. У двійковій системі числення одна й та сама схема може виконувати як логічні, так і арифметичні операції. Якщо поняття «не А» позначити особливою літерою, наприклад, В, то зв'язок між В і А матиме вигляд: В = .

Це найпростіша логічна функція, яку називають запереченням, інверсією чи функцією НЕ. Схему, що забезпечує таку функцію називають інвертором або схемою НЕ.

Схеми АБО (диз'юнктор) та І (кон'юнкатор) можуть бути виконані на резисторах (резисторна логіка), на діодах (діодна логіка), на транзисторах (транзисторна логіка). Найчастіше ці схеми застосовуються у поєднанні з інвертором, і тоді вони реалізують функції АБО-НЕ, І-НЕ (рис. 23).

Рис.23. Умовне позначення та таблиці істинності:

а) стрілка Пірса; б) штрих Шеффера

Функції АБО-НЕ (стрілка Пірса) та І-НЕ (штрих Шеффера) - найпоширеніші, тому що на їх основі можна реалізувати будь-яку іншу логічну функцію. Кількість змінних, а отже, і кількість входів у відповідних схем може дорівнювати двом, трьом, чотирьом і більше. У логічних елементах логічні нулі та одиниці зазвичай представлені різними значеннями напруги: напругою (або рівнем нуля) U 0 та напругою (або рівнем одиниці) U 1 . Якщо рівень одиниці більший за рівень нуля, то кажуть, що схема працює в позитивній логіці, в іншому випадку (U 1< U 0) она работает в отрицательной логике. Никакой принципиальной разницы между положительной и отрицательной логиками нет. Более того, одна и та же схема может работать и в одной, и в другой логике.

Найбільш широке застосування набула схема І-НЕ типу ТТЛ (транзисторно-транзисторна логіка).

Комбінуючи логічні схеми АБО-НЕ або І-НЕ, можна створити різні пристроїяк з пам'яттю, так і без пам'яті.

До цифрових пристроїв із пам'яттювідносяться: тригери, лічильники, регістри.

Тригераминазивають пристрої, які мають двома станами стійкого рівноваги і здатні стрибкоподібно перемикатися з одного стійкого стану в інший щоразу, коли керуючий вхідний сигнал перевищує певний рівень, званий порогом спрацьовування.

Розрізняють кілька типів тригерів: RS, D, T, JK та ін, які випускаються промисловістю у вигляді окремих мікросхем, а також виконуються на основі логічних елементів І-НЕ або АБО-НЕ (рис. 24).

Рис.24.Умовні графічні позначення тригерів: а) RS-тригер на основі логічних елементів АБО-НЕ; у вигляді окремих мікросхем: б) RS-тригер; в) D-тригер; г) T-тригер; д) JK-тригер

У пристроях цифрової обробки інформації вимірюваний параметр (кут повороту, швидкість, частота, час, температура тощо) перетворюється на імпульси напруги, кількість яких характеризує значення даного параметра. Ці імпульси підраховуються лічильниками імпульсів(рис. 25, а) і виражаються у вигляді цифр.

Рис.25.Умовні графічні позначення: а) лічильника імпульсів;

б) регістра; в) дешифратора; г) шифратора; д) мультиплексора;

е) арифметико-логічного устрою

Реєстраминазиваються функціональні вузли цифрових пристроїв, призначені для прийому, зберігання, передачі та перетворення інформації (рис. 25, б).

До цифрових пристроїв без пам'ятіналежать: дешифратори, шифратори, мультиплексори, демультиплексори та ін.

Дешифраторомназивається пристрій, що виробляє одиничний сигнал тільки на одному зі своїх виходів залежно від коду двійкового числа на його входах n (рис. 25, в).

Шифратор(рис. 25, г) виконує функцію, обернену дешифратору.

Мультиплексорназивається пристрій для комутації одного з інформаційних входівна один вихід в залежності від двійкового коду на його m адресних входах (рис. 25, д).

Демультиплексорвиконує функцію, обернену мультиплексору.

Залежно кількості елементів на одному кристалі говорять про різного ступеня інтеграції ІМС. Велика інтегральна мікросхема (ВІС) містить одному кристалі (в одному корпусі) кілька мільйонів елементів і виконує функції складних пристроїв. Вона є функціонально закінченим виробом.

ВІС, до складу якої входять як мінімум основні вузли процесора: арифметико-логічний пристрій (рис. 25, е), дешифратор команд та пристрій управління, називається мікропроцесором. До нього можуть входити інші блоки, що розширюють можливості мікропроцесора. Мікропроцесор служить для логічної обробки, зберігання та перетворення даних. Він є універсальним за своїми можливостями напівпровідниковим пристроєм та його можна застосовувати у системах керування складними пристроями.

Запитання по темі

1. Що вивчає електроніка?

2. Які пристрої називаються електронними?

3. Чим відрізняються напівпровідникові матеріали від провідників та діелектриків?

4. Як влаштований p-n-перехід? Яка основна властивість переходу, що дозволяє виготовляти на основі напівпровідникові прилади?

5. Як працює діод? Який вид має його вольт-амперна характеристика?

6. Як влаштований та як працює біполярний транзистор?

7. Як працює польовий транзистор? Чим він відрізняється від біполярного транзистора?

8. Як називаються і для чого служать висновки біполярного та польового транзисторів?

9. На чому ґрунтується стабілізація напруги стабілітроном? Якими параметрами характеризуються стабілітрони?

10. Як перетворити синусоїдальну напругу на постійну?

11. Як працюють діодні випрямлячі?

12. Як працюють електричні фільтри?

13. Як отримати стабільну постійну напругу?

14. Навіщо застосовують підсилювачі електричних сигналів?

15. Який принцип посилення струму та напруги?

16. У чому різниця підсилювачів на транзисторах від підсилювачів на інтегральних мікросхемах?

17. Що таке інтегральна мікросхема?

18. Які елементи називають логічними функціями? Як працюють основні (базові) логічні функції? Які операції вони виконують?

19. Що таке цифрові пристрої з пам'яттю?

20. Що таке цифрові пристрої без пам'яті?

21. Що таке мікропроцесор? Навіщо він використовується?

Подібна інформація.

Розділ тринадцятий. Двоелектродні лампи та їх застосування для випрямлення змінного струму

13-1. Класифікація та застосування електронних приладів

Електроніка вивчає принцип дії, будову та застосування електронних, іонних та напівпровідникових приладів.

Електронними називаються прилади, в яких явище струму пов'язане з рухом тільки електронів за наявності в приладах високого вакууму, що виключає зіткнення електронів з атомами газу. До цієї групи приладів відносяться, наприклад, дво- та триелектродні лампи, деякі фотоелементи, електроннопроменеві трубки та ін.

Електронні прилади застосовуються у випрямлячах, підсилювачах, генераторах, приймальних пристроях високої частоти, а також в автоматиці, телемеханіці, вимірювальній та обчислювальній техніці.

Іонними називаються прилади, в яких явище струму обумовлено рухом електронів та іонів, отриманих при іонізації газу або парів ртуті електронами. До них відносяться газотрони, тиратрони, ртутні вентилі та ін.

Іонні прилади відрізняються від електронних значною інерційністю процесів, обумовлених величезною масою іона в порівнянні з масою електрона, тому іонні прилади застосовуються в установках з частотою, що не перевищує кілька кілогерців - у випрямлячах середньої та великої потужності у схемах автоматичного керуваннямеханізмами та ін.

Напівпровідникові називаються прилади, в яких струм створюється в твердому тілі рухом електронів і «дірок», і використовуються властивості напівпровідників.

В останні роки різко зросло застосування напівпровідникових приладів внаслідок низки переваг перед електронними та іонними приладами. Головні з них: мала витрата енергії, малі розміри, маса та вартість, значна механічна міцність, великий термін служби та простота експлуатації. У ряді областей радіотехніки, енергетики, автоматики, телемеханіки та обчислювальної технікинапівпровідникові прилади успішно замінюють електронні та іонні прилади.

1. Визначення електричних приладів. Класифікація електронних приладів

Електронні прилади – це пристрої, робота яких заснована на використанні електричних, теплових, оптичних та акустичних явищ у твердому тілі, рідині, вакуумі, газі або плазмі. Найбільш загальні функції, що виконуються електронними приладами, полягають у перетворенні інформаційних сигналів чи енергії.

Основними завданнями електронного приладу як перетворювача інформаційних сигналів є посилення, генерування, передача, накопичення та зберігання сигналів, а також виділення їх на тлі шумів.

Електронні прилади можна класифікувати за їх призначенням, фізичними властивостями, основними електричними параметрами, конструктивно-технологічними ознаками, родом робочого середовища і т.д.

Залежно від виду сигналів та способу обробки інформації всі існуючі електронні прилади поділяють на електроперетворювальні, електросвітлові, фотоелектричні, термоелектричні, акустоелектричні та механоелектричні.

На вигляд робочого середовища розрізняють такі класи приладів: напівпровідникові, електровакуумні, газорозрядні, хемотронні (робоче середовище – рідина). Залежно від виконуваних функцій та призначення електронні прилади ділять на випрямні, підсилювальні, генераторні, перемикальні, індикаторні та ін.

По діапазону частот – низькочастотні, високочастотні, надвисокочастотні; за потужністю – малої потужності, середньої потужності та потужні.

2. Режими та параметри електронних приладів

Кожен із зазначених режимів характеризується своїми параметрами.

Оптимальні умови роботи приладу під час експлуатації, випробування або вимірювання його параметрів визначаються номінальним режимом. Граничні параметри характеризують гранично допустимі режими роботи. До них відносяться максимально допустимі значення напруги на електродах приладу, максимально допустима потужність, що розсіюється приладом, і т. д. Розрізняють статичний та динамічний режими. Якщо прилад працює при постійних значеннях напруги на електродах, такий режим називається статичним. В цьому випадку всі параметри не змінюються у часі. Режим роботи приладу, у якому напруга хоча б одному з електродів змінюється у часі, називається динамічним. Крім параметрів режиму, розрізняють параметри електронного приладу (наприклад, коефіцієнт підсилення, внутрішній опір, міжелектродні ємності та ін.). Зв'язок між змінами струмів і напруги на електродах в статичному режимі описується статичними характеристиками. Сукупність статичних показників при фіксованих значеннях третього параметра називають сімейством показників.

3. Електропровідність матеріалів.

Напівпровідники, що застосовуються в електроніці, мають монокристалічну решітку. Кожен атом кристалічних ґрат за рахунок ковалентних зв'язків міцно утримується у вузлах кристалічних ґрат. В ідеальному ґратах всі електрони пов'язані зі своїми атомами, тому така структура не проводить електричний струм. Однак невеликі енергетичні впливи можуть призвести до відриву деяких електронів від своїх атомів, роблячи їх здатними переміщатися кристалічною решіткою. Такі електрони називаються електронами провідності. Енергетичні стани електронів провідності утворюють зону значень (рівнів) енергії, яка називається зоною провідності. Енергетичні стани валентних електронів утворюють валентну зону. Між максимальним рівнем енергії валентної зони W і мінімальним рівнем зони провідності W c лежить заборонена зона. Ширина забороненої зони W c визначає мінімальну енергію, необхідну для звільнення валентного електрона, тобто енергію іонізації атома напівпровідника. Ширина забороненої зони більшості напівпровідників становить 0,1 – 3 эВ.

4. Поняття електрохімічного потенціалу (рівня Фермі).

Імовірність знаходження вільного електрна в енергійному стані W визначається функцією

Напівпровідники з донорною домішкою називаються електронними напівпровідниками або напівпровідниками n-типу.

З підвищенням температури рівень Фермі зміщується до середини забороненої зони. У разі напівпровідника з акцепторною домішкою електрони є неосновними носіями заряду, дірки – основними носіями, а напівпровідник з акцепторною домішкою називають дірковим або напівпровідником p-типу.

З підвищенням температури рівень Фермі зміщується до середини забороненої зони.

5. Власна провідність.

Власна та домішкова провідність напівпровідників

1. Особливості напівпровідників

дірку". Реальними частинками є лише електрони ( e). Еелектронна провідність обумовлена рухом вільних електронів. Діркова провідність викликана рухом пов'язаних електронів, які переходять від одного атома до іншого, по черзі замінюючи один одного, що еквівалентно руху "дірок" у протилежному напрямку. "Дірці" умовно приписується "+" заряд. У чистих напівпровідниках концентрація вільних електронів і дірок однакові. Електронно-дірковапровідність – провідність, викликана утворенням вільних носіїв заряду (електронів та “дірок”), що утворюються при розриві ковалентних зв'язків, називається своєю провідністю.

6. Домішка електропровідність напівпровідникових матеріалів.

Домішна провідність – провідність, зумовлена утворенням вільних носіїв заряду при внесенні домішок іншої валентності (n) Донорна домішка nдомішки > nнапівпровідник Миш'як в германій nприм. =5; nп/прово-к=4

Кожен атом домішки вносить вільний електрон.

Напівпровідники n – типуз донорною домішкою Основні носії заряду електрониЧи не основні носіїпро – "дірки" Провідність електронна Акцепторна домішка nдомішки< n полупроводник

Індій у германій nприм. =3; nп/прово-к=4 Кожен атом домішки захоплює електрон із основного напівпровідника, створюючи додаткову дірку.

7. Електричні переходи у напівпровідникових приладах

Електричним переходом називається перехідний шар між областями твердого тіла з різними типамиабо значення провідності. Найчастіше використовується електричний перехід між напівпровідниками n - та p-типу, званий електронно-дірковим переходом, або p-n - переходом. Використовуються переходи між областями з однаковим типом електропровідності, але з різними значеннями питомої провідності (n+-n; p+-p). Знак «+» відзначає область із більшою концентрацією домішки.

Широке застосування набули переходи метал-напівпровідник. Електричні переходи можуть створюватися на основі напівпровідників з однаковою шириною забороненої зони (гомопереходи), і з різними значеннями ширини (гетеропереходы).

Електричні переходи використовуються практично у всіх напівпровідникових приладах. Фізичні процеси в переходах є основою дії більшості напівпровідникових приладів.

Широко застосовуються несиметричні p-n-переходи, в яких концентрація домішок в емітері значно більша, ніж в іншій.

області – на базі. У симетричних p-n-переходах концентрація акцепторів у p-області дорівнює концентрації донорів у n-області.

8-9 Електронно-дірковий перехід у рівноважному стані

Контактна різниця потенціалів.

Рівнавага відповідає нульовому зовнішньому напрузі на переході. Оскільки концентрація електронів у n-області значно більша, ніж у p-області, а концентрація дірок у p-області більша, ніж у n-області. Внаслідок цього заряди дифундувати з області з більшою концентрацією в область з меншою концентрацією, що призведе до появи дифузійного струму електронів і дірок.

На межі p- та n-областей створюється шар, збіднений рухомими носіями. У приконтактної області n-типу з'являється нескомпенсований заряд позитивних іонів, а дірочної області – нескомпенсированный заряд негативних іонів домішок. Таким чином, електронний напівпровідник заряджається позитивно, а дірочний негативно.

Між областями напівпровідника з різними типами електропровідності виникає електричне поле напруженістю Е. Подвійний шар електричних зарядів, що утворився, називається замикаючим, він збіднений основними носіями і має внаслідок цього низьку електропровідність.

Вектор напруженості поля спрямований так, що він перешкоджає дифузійному руху основних носіїв та прискорює неосновні носії. Цьому полю відповідає контактна різниця потенціалів k, пов'язана з взаємною дифузією носіїв. За межами p-n-переходу напівпровідникові області залишаються нейтральними. Рух неосновних носіїв утворює дрейфовий струм, спрямований назустріч дифузійному струму. Отже, в умовах рівноваги зустрічні дрейфовий та дифузійний струми повинні дорівнювати, тобто.

Тоді вираз для контактної різниці потенціалів k в p-n-переході

10. Електронно-дірковий перехід у нерівноважному стані

Якщо до p-n-переходу підключити джерело напруги, рівноважний стан порушиться, і ланцюга протікатиме струм. Розрізняють пряме та зворотне включення p-n-переходу.

10. Пряме включення. Нехай зовнішню напругу прикладено плюсом до p-області, а мінусом – до n-області. При цьому воно протилежне за знаком контактної різниці потенціалів. Так як концентрація рухомих носіїв у p-n-переході значно нижча, ніж у p - і n-областях, опір p-n-переходу значно вищий за опір p - і n-областей. Можна вважати, що напруга повністю падає на переході. Основні носії рухатимуться до контакту, скорочуючи дефіцит носіїв у p-n-переході та зменшуватимуть опір та товщину p-n-переходу. Потік основних носіїв через контакт збільшиться. Струм, протікає через перехід, у разі називається прямим, а напруга, прикладене до переходу – прямим напругою. Дифузія дірок через перехід призводить до збільшення концентрації дірок за переходом. градієнт концентрації дірок, що виникає при цьому, обумовлює дифузійне проникнення їх в глиб n-області, де вони є неосновними носіями. Це називається інжекцією (впорскуванням). Інжекція дірок не порушує електричної нейтральності в n-області, тому що вона супроводжується надходженням із зовнішнього ланцюга такої ж кількості електронів.

11.Зворотне включення.

Якщо зовнішня напруга прикладена плюсом до n-області, а мінусом до - p-області, то вона збігається за знаком з контактною різницею потенціалів. У цьому випадку напруга на переході зростає, і висота потенційного бар'єру стає вищою, ніж за відсутності напруги.

Напрямок результуючого струму протилежно напрямку прямого струму, тому він називається зворотним струмом, а напруга, що викликає зворотний струм, називається зворотним напругою. Поле у переході є прискорюючим лише неосновних носіїв. Під впливом цього поля концентрація неосновних носіїв межі переходу знижується і утворюється градієнт концентрації носіїв заряду. Це називається екстракцією носіїв.

Так як число неосновних носіїв мало, струм екстракції через перехід набагато менше прямого струму. Він практично не залежить від прикладеної напруги і є струмом насичення.

Таким чином, p-n-перехід має несиметричну провідність: провідність у прямому напрямку значно перевищує провідність p-n-переходу у зворотному напрямку, що знайшло широке застосування при виготовленні напівпровідникових приладів.

12. Вольт-амперна характеристика p-n-переходу

Вольт-амперна характеристика p-n-переходу є залежністю струму через p-n-перехід від величини і полярності прикладеної напруги.

https://pandia.ru/text/78/661/images/image016_9.jpg" width="714" height="480 src=">

13. Властивості p-n-переходу

При великих негативних напругах р-n-переході спостерігається різке зростання зворотного струму Це явище називають пробоєм р-n-переходу. Пробій переходу виникає при досить сильному електричному полі, коли неосновні носії зарядів прискорюються настільки, що іонізують атоми напівпровідника. При іонізації створюються електрони та дірки, які, розганяючись, знову іонізують атоми і т. д., внаслідок чого дифузійний струм через перехід різко зростає, а на вольт-амперній характеристиці р-n-Переходу в області великих негативних напруг спостерігається стрибок зворотного струму Слід зазначити, що після пробою перехід виходить із ладу лише тоді, коли відбуваються незворотні зміни його структури у разі надмірного перегріву, що спостерігається при тепловому пробою. Якщо ж потужність, що виділяється на р-n- Перехід, підтримується на допустимому рівнівін зберігає працездатність і після пробою. Такою пробою називають електричним (відновлюваним).
276" align="left">

Більшість напівпровідникових діодів виконують з урахуванням несиметричних p-n-переходів. Як структурні елементи діодів використовують також p-i-, n-i-переходи, переходи метал-напівпровідник, p+-p-, p+-n-переходи, гетеропереходи. Виготовляються також діоди з p-i-n-, p+-p-n- та n+-n-p-структурами. Вся структура з електричним переходом полягає в металевому, скляному, керамічному або пластмасовому корпусі для виключення впливу довкілля. Напівпровідникові діоди виготовляються як у дискретному, так і в інтегральному виконанні. Основним елементом напівпровідникового діода є р-n-перехід, тому вольт-амперна характеристика реального діода близька до вольт-амперної характеристики р-n-переходу, наведеної на малюнку 3.3, м. Параметри та режим роботи діода визначаються його вольтамперною характеристикою, що ілюструє залежність струму, що протікає через діод. Iвід прикладеної напруги U. Типова вольтамперна характеристика приладу показано малюнку.

504" height="390" align="center">

Мал. 2. Графічні позначення напівпровідникових діодів.

1 – загальне позначення (випрямний, імпульсний, високочастотний діод); 2 – стабілітрон; 3 – двоанодний стабілітрон; 4 – тунельний діод; 5 - звернений діод; 6 – варикап; 7 – світлодіод; 8 – фотодіод

17. Випрямляючі діоди

Призначені для перетворення змінного струму з частотою від 50 до 20000 Гц в пульсуючий струм одного напрямку та широко використовуються в джерелах живлення радіоелектронної апаратури різного призначення. Як напівпровідниковий матеріал для таких діодів використовують кремній, рідше германій і арсенід галію. Принцип роботи випрямних діодів ґрунтується на вентильній властивості p-n-переходу. Діляться на діоди малої, середньої та великої потужності. Діоди малої потужності призначені для випрямлення струмів до 300 мА, середньої та великої потужності – для випрямлення струмів відповідно від 300 мА до 10 А та від 10 до 1000 А. Переваги кремнієвих діодів: малі зворотні струми; можливість використання при більш високих температурахнавколишнього середовища та великих значеннях зворотних напруг. Перевага германієвих діодів - мале падіння напруги 0,3 0,6 В при протіканні прямого струму (порівняно з 0,8 1,2 В у кремнієвих).

Як випрямляючі діоди використовують площинні, сплавні, дифузійні та епітаксійні діоди, виконані на основі несиметричних p-n-переходів. Бар'єрна ємність переходу через велику площу велика і її значення досягає десятків пікофарад. Германієві діоди можуть бути використані при температурах не більше 70?80 °С, кремнієві - до 120?150 °С, арсенід-галієві - до 150 °С.

Максимальна зворотна напруга малопотужних низькочастотних випрямлювальних діодів лежить у межах від кількох десятків до 1200 В. На більш високі напруги промисловістю випускаються стовпи, що використовують послідовне з'єднання діодів. Зворотні струми не перевищують 300 мкА для германієвих діодів та 10 мкА для кремнієвих.

Потужні (силові) діоди розрізняються за частотними властивостями та працюють на частотах у діапазоні від десятків герц до десятків кілогерц і виготовляються переважно з кремнію.

Робота при великих струмах та високих зворотних напругах пов'язана з виділенням значної потужності в p-n-переході. Тому в установках з діодами середньої та великої потужності використовуються охолоджувачі – радіатори з повітряним та рідинним охолодженням. При охолодженні повітря тепло відводиться за допомогою радіатора. При цьому охолодження може бути природним (за рахунок конвекції повітря) або примусовим (з використанням обдування корпусу приладу та радіатора за допомогою вентилятора). При рідинному охолодженні в радіатор спеціальними каналами пропускається рідина, що відводить (вода, антифриз, трансформаторне масло, синтетичні діелектричні рідини).

До основних параметрів випрямляючих діодів відносяться:

максимально допустимий прямий струм Iпр макс;

пряме падіння напруги на діоді Uпр (при Iпр макс);

максимально допустима зворотна напруга Uобр макс;

зворотний струм при заданій зворотній напрузі Iобр (при Uобр макс);

діапазон робочих температур довкілля;

коефіцієнт випрямлення Кв;

гранична частота випрямлення, що відповідає зменшенню коефіцієнта випрямлення у 2 рази.

18. Стабілітрони

Напівпровідниковими стабілітронами називають діоди, призначені для стабілізації рівня напруги у схемі. Принцип роботи стабілітронів ґрунтується на використанні електричного виду пробою p-n-переходу при зворотному зміщенні.

На зворотній гілки ВАХ є ділянка зі слабкою залежністю напруги від величини зворотного струму (дільниця з електричним пробоєм p-n-переходу). Як стабілітрони використовуються площинні кремнієві діоди. ВАХ стабілітрона зображена на рис. 5. Величина зворотної напруги, у якому починає розвиватися електричний пробій, значною мірою залежить від питомого опору вихідного матеріалу, що визначається концентрацією домішки.

При напрузі менше 6 В p-n-переході діода переважає тунельний пробій. У діапазоні від 6 до 12 В спостерігаються обидва види електричного пробою - тунельний і лавинний, а вище 12 В переважає лавинний пробій. Зі зміною температури напруга стабілізації Uст змінюється. Низьковольтні та високовольтні стабілітрони мають протилежні зміни напруги стабілізації при збільшенні температури. При тунельному пробої зі зростанням температури Uст зменшується, а при лавинному – зростає. Для напруги від 6 до 12 В вплив температури незначно, тому що в переході існують обидва види пробою.

Основними параметрами стабілітрона є:

напруга стабілізації Uст - падіння напруги на стабілітроні при протіканні заданого струму стабілізації;

мінімальний Icт мін та максимальний Icт макс струму стабілітрона;

температурний коефіцієнт напруги стабілізації

;

Напівпровідникові діоди, що застосовуються для стабілізації напруги менше 1 В з використанням прямої гілки ВАХ, називають стабісторами.

19. Варикапи

У варикапах використовують залежність бар'єрної ємності p-n-переходу від зворотної напруги. Вони діляться на підстроювальні, або варикапи, і помножувальні, або варактори. Варикапи використовуються зміни резонансної частоти коливальних систем. Варактори використовуються для множення частоти.

Основними спеціальними параметрами варикапів є:

номінальна ємність Св, виміряна при заданій зворотній напрузі Uобр;

коефіцієнт перекриття по ємності - відношення реактивного опору варикапа на заданій частоті змінного сигналу до опору втрат;

температурний коефіцієнт ємності - Відношення відносної зміни ємності до абсолютної зміни температури навколишнього середовища, що викликало його.

Крім розглянутих діодів випускаються тунельні діоди, діоди Ганна, лавинно-прогонові діоди, що успішно працюють в діапазоні надвисоких частот (0,3…300 ГГц), а також фото- та випромінювальні діоди, що використовуються у фотоелектричних та оптоелектронних приладах та як світлоіндикаторні.

20. Імпульсні діоди

Призначені для роботи у цифрових та інших пристроях імпульсної техніки. Позначаються як і, як і випрямні, мають малу тривалість перехідних процесів. Від випрямлювальних діодів відрізняються малими ємностями p-n-переходу (частки пикофарад) та низкою параметрів, що визначають перехідні характеристики діода. Зменшення ємностей досягається за рахунок зменшення площі p-n-переходу, тому допустимі потужності розсіювання у них невеликі (30 40 мВт).

На роботу імпульсних діодів впливають ефекти накопичення та розсмоктування носіїв заряду. При вплив на діод коротких за часом імпульсів починає позначатися інерційність процесів розсмоктування носіїв та перезарядження його ємності. Час встановлення опору прямовключеного p-n-переходу діода tуст визначається інжекцією носіїв заряду, їх дифузійним переміщенням углиб бази, яке зменшує об'ємний опір бази діода до свого стаціонарного стану. Після закінчення прямокутного імпульсу при зворотному включенні p-n-переходу спочатку різко збільшується величина зворотного струму внаслідок інтенсивного розсмоктування нерівноважних носіїв з подальшим його експоненційним зменшенням до стаціонарного значення теплового струму I0. нормального значеннявизначається за формулою

де vдр і vрек - швидкості дрейфу і рекомбінації носіїв у структурі, що визначають швидкість розсмоктування носіїв, W - довжина структури діода між його висновками. Швидкість дрейфу носіїв залежить від напруженості поля, порівняно невелика і має свою межу vнас. Для зменшення tс необхідно зменшити обсяг напівпровідникової структури і збільшити швидкість рекомбінації неосновних носіїв, що досягається технологією виготовлення імпульсних діодів: введенням у вихідний матеріал нейтральних домішок, найчастіше золота (Au), для створення так званих "пасток" - центрів рекомбінації. Параметри імпульсних діодів ті самі, що й у високочастотних діодів. Крім того, до них додаються специфічні параметри:

ü загальна ємність діода Сд (десяті частки одиниці пікофарад);

ü максимальна імпульсна пряма напруга Uпр макс і;

o максимально допустимий імпульсний струм Iпр макс;

ü час встановлення прямої напруги tуст – інтервал часу від моменту подачі імпульсу прямого струму на діод до досягнення заданої прямої напруги (частки наносекунд?частки мікросекунд);

ü час зворотного відновлення діода tвос – час перемикання діода із заданого прямого струму на задану зворотну напругу від моменту проходження струму через нульове значення до моменту досягнення зворотним струмом заданого значення (частки наносекунд ¼частки мікросекунд).

Для зменшення tвос застосовують спеціальні різновиди імпульсних діодів: діоди з бар'єром Шотки (ДБШ), діоди з накопиченням заряду (ДНЗ). У ДБШ перехід виконаний на основі випрямляючого контакту метал-напівпровідник, в якому робота виходу з металу більша, ніж робота виходу з напівпровідника. У цих діодів не витрачається час на накопичення та розсмоктування зарядів у основі, їх швидкодія залежить тільки від швидкості процесу перезаряду бар'єрної ємності. Конструктивно ДБШ виконуються у вигляді пластини низькоомного кремнію, на яку нанесена високоомна епітаксійна плівка з електропровідністю того ж типу. На поверхню плівки вакуумним напиленням нанесений шар металу. Інерційність ДБШ в основному визначається ємністю контакту, що випрямляє, яка може бути менше 0,01 пФ.

ДНЗ – використовується на формування коротких прямокутних імпульсів. Це досягається за рахунок нерівномірного легування області діода. Для виготовлення таких діодів застосовуються меза- та епітаксійна технологія.

21. Діоди з накопиченням заряду (ДНЗ).

У ДНЗ база виготовляється нерівномірно легованою за довжиною. У таких діодів концентрація домішки в основі при наближенні до p-n-переходу зменшується, тому нерівномірною виявляється і концентрація основних носіїв бази – електронів, якщо база має провідність n-типу. За рахунок цього електрони дифундують у бік p-n-переходу, залишаючи в глибині бази надлишковий позитивний заряд атомів донор-

ної домішки, а поблизу переходу надлишковий заряд електронів. Між цими зарядами виникає електричне поле, спрямоване у бік переходу. Під впливом цього поля дірки, инжектированные основою при прямому включенні діода, концентруються (накопичуються) основу біля межі переходу. При перемиканні діода з прямого на зворотний напрямок ці дірки під дією поля всередині переходу швидко йдуть з бази в емітер, і час відновлення зворотного опору зменшується.

Для виготовлення таких діодів застосовуються меза- та епітаксійна технологія.

22. Діоди з бар'єром Шоткі.

час зворотного відновлення діода tвос – час перемикання діода із заданого прямого струму на задану зворотну напругу від моменту проходження струму через нульове значення до досягнення зворотним струмом заданого значення (частки наносекунд …частки мікросекунд). Для зменшення tвос застосовують спеціальні різновиди імпульсних діодів: діоди з бар'єром Шотки (ДБШ), діоди з накопиченням заряду (ДНЗ). У ДБШ перехід виконаний на основі випрямляючого контакту метал-напівпровідник, в якому робота виходу з металу більша, ніж робота виходу з напівпровідника. У цих діодів не витрачається час на накопичення та розсмоктування зарядів у основі, їх швидкодія залежить тільки від швидкості процесу перезаряду бар'єрної ємності. Конструктивно ДБШ виконуються у вигляді пластини низькоомного кремнію, на яку нанесена високоомна епітаксійна плівка з електропровідністю того ж типу. На поверхню плівки вакуумним напиленням нанесений шар металу. Інерційність ДБШ в основному визначається ємністю контакту, що випрямляє, яка може бути менше 0,01 пФ.

23 Тунельні та навернені діоди

Принцип роботи тунельного діода (TД) ґрунтується на явищі тунельного ефекту в p-n-переході, утвореному виродженими напівпровідниками. Це призводить до появи на вольт-амперної характеристики ділянки з негативним диференціальним опором при прямому напрузі. Відомо, що частка, що має енергію, недостатню для подолання потенційного бар'єру, може пройти крізь нього, якщо з іншого боку цього є вільний енергетичний рівень, який вона займала перед бар'єром. Це називається тунельним ефектом. Чим вже потенційний бар'єр і що менше його висота, то більша ймовірність тунельного переходу. Тунельний перехід відбувається без витрати енергії. Вольт-амперна характеристика тунельного діода показана на рис. 2.26 а.

2.17. Параметри тунельних діодів

Піковий струм I п (від сотень мікроампер – до сотень міліампер).

Напруга піку U п – пряма напруга, що відповідає струму п I.

Струм западини I, відповідний напрузі U в.

Напруга западини - пряма напруга, що відповідає струму в I. Напруга розчину U p - пряма напруга, що відповідає типовому струму на другій висхідній гілки ВАХ, визначає можливий стрибок напруги на навантаженні при роботі тунельного діода в схемі перемикання.

24. Різновидом тунельних діодів є звернені діоди, що виготовляються на основі напівпровідника з концентраціями домішок в р - і n - областях діода, менших, ніж у тунельних, але більших, ніж у звичайних діодах, що випрямляють.

Вольт-амперна характеристика зверненого діода представлена на рис. 2.28.

Пряма гілка ВАХ зверненого діода аналогічна прямої гілки звичайного випрямного діода, а зворотна гілка аналогічна зворотній гілки ВАХ тунельного діода, т. к. при зворотних напругах відбувається тунельний перехід електронів з валентної зони р-області в зону провідності n-області (десятки мілівольт) зворотні струми виявляються більшими. Таким чином, звернені діоди мають випрямляючий ефект, але провідний напрямок в них відповідає зворотному включенню, а замикаючий - прямому включенню. Завдяки цьому їх можна використовувати в детекторах і змішувачах на НВЧ як перемикачі.

Ще в 19 столітті було відкрито низку фізичних явищ, природа яких зумовлена взаємодією вільних електронів з електромагнітним полем та речовиною. Такі явища одержали назви електромагнітних. До них відносяться:

– випромінювання електронів розжареним тілом – термоелектронна емісія;

- Випускання електронів речовиною під впливом фотонів (фотоефект);

- Випускання фотонів речовиною під впливом електронів (люмінесценція);

- Залежність електронної провідності ланцюга, що складається з розжареного і незагартованого електродів, розділених вакуумним проміжком, від напрямку струму;

- іонізація розрідженого газу при проходженні потоку електронів, що швидко рухаються, що супроводжується різким збільшенням електричної провідності середовища;

– наявність двох типів електропровідності напівпровідника (електронної та діркової), залежно від переважання того чи іншого виду носіїв заряду (електронів чи дірок);

Перелічені та багато інших електронні явища добре вивчені та мають практичне застосування. Прилади, принцип дії яких заснований на фізичних явищах, пов'язаних з рухом електрично заряджених частинок у вакуумі, газі або твердому тілі, називаються електронними. Область науки і техніки, що займається вивченням та розробкою електронних приладів та пристроїв, називається електронікою.

Найбільш загальною класифікаційною ознакою є робоче середовище, в якому протікають основні фізичні процеси в приладі. Таким чином, розрізняють електровакуумні, іонні (газорозрядні) та напівпровідникові прилади.

У електровакуумних приладах робочий простір ізольований від навколишнього середовища газонепроникною оболонкою – балоном. Електричні процеси у цих приладах протікають у середовищі високорозрідженого газу з тиском близько 10-6 мм рт. ст. До електровакуумних приладів відносяться електронні лампи, електронно-променеві, фотоелектронні та надвисокочастотні прилади.

Іонними (газорозрядними) називають прилади, балони яких наповнені інертними газами (аргоном, неоном, криптоном та ін), їх сумішшю, воднем або парами ртуті. Тиск газу в балоні невеликий: 10-10-5 мм рт. ст. Заповнення приладів газом дозволяє пропустити через них значно більший струм, ніж це можливо в електровакуумному приладі при тій же потужності, що споживається, що пояснюється малим внутрішнім опором приладу, а отже, малим падінням напруги між анодом і катодом.

Конструкція та призначення іонних приладів дуже різноманітні. Більшість їх типів застосовується для випрямлення змінного струму (газотрони, ігнітрони, тиристори, ртутні вентилі та ін.). Використовуються вони також для стабілізації постійних напруг(стабілітрони), як електронні реле, що перемикають пристроїв (іонні розрядники).

Найбільш загальні функції, що виконуються електронними приладами, полягають у перетворенні інформаційних сигналів чи енергії.

Сама назва «електронні прилади» вказує на те, що всі процеси перетворення сигналів і енергії відбуваються за рахунок руху електронів, або за їх безпосередньої участі. Основними завданнями електронного приладу як перетворювача інформаційних сигналів є посилення, генерування, передача, накопичення та зберігання сигналів, а також виділення їх на тлі шумів.

Електроперетворювальні прилади представляють найбільшу

Групу електронних приладів. До них відносять різні типи діодів та транзисторів, тиристори, газорозрядні, електровакуумні прилади.

До електросвітлових відносять світлодіоди, люмінесцентні конденсатори, лазери, електронно-променеві трубки.

До фотоелектричних – фотодіоди, фототранзистори, фототиристори, сонячні батареї.

До термоелектричних - напівпровідникові діоди, транзистори, термістори.

Акустоелектричні підсилювачі, генератори, фільтри, лінії затримки на поверхневих акустичних хвилях відносяться до акустичних приладів. Останнім часом на стику електроніки та оптики сформувалася нова галузь техніки – оптоелектроніка, що приваблює для вирішення завдань формування, зберігання та обробки сигналів методи електроніки та оптики.

Залежно від виконуваних функцій та призначення електронні прилади ділять на випрямні, підсилювальні, генераторні, перемикальні, індикаторні та ін.

Поняття режиму електронного приладу включає сукупність умов, що визначають його роботу. Будь-який режим визначається сукупністю параметрів. Розрізняють електричний, механічний, кліматичний режими. Кожен із зазначених режимів характеризується своїми параметрами. Оптимальні умови роботи приладу під час експлуатації, випробування або вимірювання його параметрів визначаються номінальним режимом.

Граничні параметри характеризують гранично допустимі режими роботи. До них відносяться максимально допустимі значення напруги на електродах приладу, максимально допустима потужність, що розсіюється приладом, і т.д. Розрізняють статичний та динамічний режими. Якщо прилад працює при постійних значеннях напруги на електродах, такий режим називається статичним. В цьому випадку всі параметри не змінюються у часі. Режим роботи приладу, у якому напруга хоча б одному з електродів змінюється у часі, називається динамічним.

Крім параметрів режиму, розрізняють параметри електронного приладу (наприклад, коефіцієнт підсилення, внутрішній опір, міжелектродні ємності та ін.). Зв'язок між змінами струмів і напруги на електродах в статичному режимі описується статичними характеристиками. Сукупність статичних показників при фіксованих значеннях третього параметра називають сімейством показників.

Тема 2. Фізичні явища напівпровідникової електроніки

Напівпровідниками у фізиці прийнято називати матеріали з питомим опором r = 10 3 - 10 9 Ом×см, на відміну від провідників (металів), які мають r< 10 4 Ом×см, и диэлектриков - материалов с r >10 10 Ом×див.

Напівпровідники мають власнуе електропровідність,яка називається домішковийпри внесенні домішки.Вносячи різні домішки, можна сформувати напівпровідники із заданими властивостями.

В основі роботи більшості напівпровідникових приладів та активних елементів інтегральних мікросхем лежить використання електричних переходів, загальною властивістю яких є потенційний бар'єр на межі між напівпровідниками. Напівпровідники можуть відрізнятися за типом провідності (p або n) або мати різні фізичні характеристики, наприклад:

Електричний перехід– перехідний шар у напівпровідниковому матеріалі між двома областями з різними типами електропровідності або різними значеннямипитомої електричної провідності (одна з областей може бути металом).

Залежно від функціонального призначення, рівня необхідних електричних параметріву діодах використовуються такі типи випрямляючих та омічних електричних переходів.

Випрямляючий перехід- Електричний перехід, електричний опір якого при одному напрямку струму більше, ніж при іншому.

Омічний перехід– електричний перехід, електричний опір якого залежить від напрямку струму в заданому діапазоні значень струмів.

Електронно-дірковий перехід (p-n-перехід) - Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність n-типу, а інша p-типу.

Гетерогенний перехід (гетероперехід) – електричний перехід, утворений внаслідок контакту напівпровідників із різною шириною забороненої зони.

Гомогений перехід (гомоперехід) – електричний перехід, утворений внаслідок контакту напівпровідників з однаковою шириною забороненої зони.

Перехід Шотки– електричний перехід, утворений у результаті контакту між металом та напівпровідником.

Електронно-електронний перехід (n-n + -перехід) – електричний перехід між двома областями напівпровідника n-типу, що володіють різними значеннями питомої електричної провідності.

Дірково-дірковий перехід (p-p + -перехід) – електричний перехід між двома областями напівпровідника p-типу, що володіють різними значеннями питомої електричної провідності. Знак «+» умовно позначає область з вищою питомою електричною провідністю

Формування електронно-діркового переходу відбувається при контакті напівпровідників без подачі зовнішньої напруги. Атоми домішкової провідності, розташовані вздовж меж розділу, жорстко пов'язані з кристалічною решіткою і нерухомі.

Внаслідок цього, дифузійний струм, між областями, що утворюється в момент контакту, здійснить перенесення електронів із зовнішніх електронних оболонок атомів у області n на незаповнені зовнішні оболонки атомів домішки в області p типу. Цей процес можна розглядати як миттєву іонізацію всіх прикордонних атомів домішки по обидва боки межі розділу, що призведе до утворення двох прикордонних заряджених шарів протилежного знака по відношенню до домішкової провідності кожної з областей.

Ці два прикордонних шари і утворюють область е електронно-діркового переходу,збідненого основними носіями. Поле, утворене р-п переходом, спрямоване проти основного поля, утвореного вихідними атомами р - і п-провідності, що викликає утворення струму дрейфу дірок і електронів, спрямованого протилежно до вихідного струму дифузії. Виникає рівноважний стан, що характеризується деякою величиною поля E, шириною р-п переходу w , ємністю C та контактною різницею потенціалів φк.

Такі переходи можуть бути симетричними та несиметричними. При симетричних переходах області напівпровідника мають однакову концентрацію домішки, а несиметричних - різну (концентрації домішок різняться кілька порядків - у тисячі й десятки тисяч разів).

Кордони переходів можуть бути плавними або різкими, причому при плавних переходах технологічно важко забезпечити якісні вентильні властивості, які необхідні для нормальної роботи діодів та транзисторів, тому різкість межі відіграє істотну роль; у різкому переході концентрації домішок на межі розділу областей змінюються на відстані, порівнянному з дифузійною довжиною L.

При подачі зовнішньої напруги для електронно-діркового p-n-переходу характерні три стани: рівноважний; прямозміщене); назадзміщене).

Рівноважний стан p-n-переходурозглядається за відсутності напруги на зовнішніх затискачах. У цьому випадку потенційний бар'єр, що виникає на межі двох областей, запобігає рівномірному розподілу носіїв по всьому об'єму напівпровідника. Подолати цей бар'єр може лише ті основні носії, які мають достатньо енергії і вони утворюють через перехід дифузійний струм I диф.Крім того, у кожній області є неосновні носії, для яких поле p-n-переходу буде прискорюючим, ці носії утворюють через перехід

дрейфовий струм I ін, який частіше називають тепловим або струмом насичення I 0 .Сумарний струм через рівноважний p-n-перехід дорівнюватиме нулю: Вільний рух носіїв через електронно-дірковий перехід можливий при зниженні потенційного бар'єру p-n-переходу. При цьому відбувається інжекціяносіїв заряду, тобто. їх перехід з області емітера в область бази в іншу під впливом зовнішньої напруги. Область емітера легується домішковими атомами значно сильніше, ніж база. За рахунок різної концентрації домішкових атомів у несиметричних переходах має місце одностороння інжекція: потік носіїв з області з низькою концентрацією домішкових атомів (з бази) дуже слабкий і можна знехтувати.

При прямій полярності зовнішнього джерела рівноважний стан переходу порушується, тому що поле цього джерела, накладаючись на поле p-n-переходу, послаблює його, заборонена зона переходу зменшується, потенційний бар'єр знижується, опір переходу різко зменшується, дифузійна складова струму при цьому зростає в «е u / j t» раз і є функцією прикладеної напруги

де j t = kT/q- температурний потенціал (при кімнатній температурі j t = 0,025В);

k – постійна Больцмана;

T – температура;

q – заряд електрона.

Складова струму I пров ідеалізованому переході при дії прямої зовнішньої напруги залишається практично без зміни. Отже, прямий результуючий струм через ідеальний p-n-перехід

(2.2.)

та остаточно

(2.3)

Рівняння (2.1) ідеального p-n-переходу визначає основні вольтамперні характеристики напівпровідникових приладів.

При побудові ВАХ переходу (2.1) видно, що для ідеального p-n-переходу при напругах, великих нуля, характерний режим заданого прямого струму, а не напруги. Для реальної ВАХ при врахуванні омічного падіння напруги в шарі бази, зовнішня напруга розподіляється між p-n-переходом і шаром бази (опір бази r б при малій площі переходу може становити десятки Ом), тому рівняння (1.1), що описує статичну ВАХ (рис. 2.1). ) реального переходу, можна записати так:

(2.4)

При зворотній полярності зовнішнього джерела полярність зовнішнього джерела напруги збігається з полярністю контактної різниці потенціалів, потенційний бар'єр p-n-переходу підвищується, заборонена зона переходу розширюється. При малих значеннях зворотної напруги через p-n-перехід буде спостерігатися рух основних носіїв, що утворюють струм, протилежно спрямований струму дрейфу:

(2.5)

Результуючий струм через p-n-перехід при дії зворотної напруги

( 2.6)

Рівняння (1.4) описує зворотну гілка зворотнозміщеного переходу (рис. 22.1).

При U обр, більшому 3j t дифузійний струм через перехід припиняється. У цьому струм неосновних носіїв продовжує текти через перехід.

Відношення прямого та зворотного струму називається коефіцієнтом випрямлення.

До випр =I пр /I обр = exp U/j t , ( 2.7)

Очевидно, що К випр має дуже велику величину і характеризує випрямляючі властивості р-ппереходу

Зворотний струм у загальному випадку має назву струму термогенерації і має велику величину; тоді як тепловий струм при кімнатній температурі взагалі не враховується (у Si p-n переході), оскільки він на 2-3 порядки менше зворотного струму. У германієвих переходів тепловий струм на 6 порядків більше, ніж у кремнієвих, тому в германієвих структурах цим струмом нехтувати не можна.

У реальному переході спостерігається значна залежність струму неосновних носіїв від напруги. При дії зворотної напруги, коли розширюється заборонена зона, область переходу сильно збіднюються носіями, при цьому процес рекомбінації уповільнюється і процес генерації виявляється неврівноваженим. Надлишок генерованих носіїв захоплюється електричним полем і переноситься в нейтральні шари (електрони в n-область, а дірки - в p-область). Ці потоки утворюють струм термогенерації. Цей струм слабо залежить від температури і залежить від величини прикладеної зворотної напруги; доречно згадати спрощену формулу залежності швидкості руху електрона в електричному полі, що прискорює, від прикладеної напруги.

( 2.8)

Зі збільшенням прикладеної напруги швидкість електрона збільшується, зростає кількість зіткнень його з атомами у вузлах решітки (ударна іонізація), що призводить до появи нових носіїв заряду. Збільшення числа зарядів призводить до збільшення струму неосновних носіїв, температура переходу збільшується, а це, у свою чергу, призводить до порушення ковалентних зв'язків та зростання носіїв. Процес може набути лавиноподібного характеру і призвести до пробою p-n-переходу (рис. 1.1). Розрізняють такі види пробоїв:

тунельний(При напруженості поля переходу понад 10 6 В/см до точки «а»);

електричний(викликаний ударною іонізацією, після точки «а»), цей тип пробою іноді називають лавинним, при цьому в переході йдуть оборотні процеси і після зняття зворотної напруги він відновлює свої робочі властивості. При електричному проби наростання струму майже не викликає зміни напруги, що дозволило використовувати цю особливість характеристики для стабілізації напруги;

тепловийвиникає внаслідок сильного розігріву переходу (після точки «б»); процеси, які у цьому переході, незворотні, і робочі властивості переходу після зняття напруги не відновлюються (ось чому у довідковій літературі суворо обмежується величина зворотної напруги на переходах діодів і транзисторів).

Мал. 2.1. ВАХ реального електронно-діркового p-n-переходу

Аналізуючи пряму та зворотні гілки вольтамперної характеристики, приходимо до висновку, що p-n-перехід добре проводить струм у прямозміщеному стані і дуже погано у зворотному зміщеному, отже, p-n-перехід має вентильні властивості і його можна використовувати для перетворення змінної напруги на постійне, наприклад, в випрямних пристроях у блоках живлення.