Оглавление Задание .................................................................................................................. 3
advertisement
Оглавление Задание .................................................................................................................. 3 Реферат ................................................................................................................. 4 Введение ............................................................................................................... 5 Тема 1: Краткая история возникновения и развития электроники. ................... 6 Тема 2: Вакуумная электроника. ....................................................................... 11 Тема 3: Плазменная электроника. ..................................................................... 15 Тема 4: Полупроводниковая электроника. ....................................................... 17 Тема 5: Функциональная электроника. ............................................................. 21 Заключение ......................................................................................................... 24 Список использованных источников ................................................................ 25 2 Задание Тема 1: Краткая история возникновения и развития электроники. Задание: Привести краткую историю пути человечества к современному пониманию окружающего нас мира, начиная с первых понятий, заканчивая Стандартной моделью устройства материи. Привести области распространения электроники в современном мире. Тема 2: Вакуумная электроника. Задание: Привести схему усилителя звуковой частоты, выполненную на вакуумном триоде с подробным описанием еѐ работы (назначение компонентов схемы, последовательность распространения сигнала, временные диаграммы, напряжения, токи, частоты и т.д.). Тема 3: Плазменная электроника. Задание: Привести схему включения плазменного прибора по варианту (табл. 1) с подробным описанием еѐ работы (назначение компонентов схемы, последовательность распространения сигнала, временные диаграммы, напряжения, токи, частоты и т.д.). Тема 4: Полупроводниковая электроника. Задание: Сделать описание принципа работы основных видов электрических переходов с примерами использования в функциональной электронике. Тема 5: Функциональная электроника. Задание: Произвести расчѐт усилителя класса А на биполярном транзисторе графическим методом по заданному варианту. 3 Реферат В данной работе рассмотрена история развития электроники на различных этапах. Произведен расчет усилительного каскада класса А на биполярном транзисторе графическим методом 4 Введение Развитие электроники, являющейся одной из прогрессивных областей науки и техники, способствует решению задач фундаментальных научных исследований и прикладных проблем, непосредственно связанных с научнотехническим прогрессом. С помощью электронных систем осуществляется контроль, управление и регулирование различными производственными процессами и устройствами, измерение электрических и неэлектрических величин, отбор, обработка и передача информации самого широкого назначения. Большинство методов исследования в различных областях науки и техники связано с применением электронного оборудования. Современные средства электронной техники выполняются в основном на базе полупроводниковых приборов в дискретном исполнении и интегральных микросхем. Интеграция радиокомпонентов, являющаяся основой микроминиатюризации радиоэлектронных устройств, позволила не только существенно уменьшить габариты электронного оборудования и потребляемую им мощность, но и предопределила принципиально новый этап в развитии радиоэлектроники, захватывающий как сферу проектирования и технологии, так и сферу организации производства. Такое сочетание элементной базы позволяет создавать отдельные узлы и устройства электронной аппаратуры в виде унифицированных стандартных блоков, что обеспечивает в высокой степени автоматизацию процесса проектирования, повышение надежности и улучшение других технических и эксплуатационных показателей проектируемой аппаратуры. Технологическая интеграция полупроводниковых компонентов соответствует органическому объединению обычных схемных компонентов на одной подложке, Таким образом, современные мнкроэлектронные элементы трудно отделить oт транзистора и других полупроводниковых приборов, которые являются основой микроэлектроники, И свою очередь микроэлектроника представляет основу развития радиоэлектроники в целом. Поэтому характерной особенностью современной электронной техники является широкая интеграция ранее почти не связанных областей науки и техники, таких, как физика твердого тела, полупроводниковые приборы, микроэлектроника, конструирование и технология электронных устройств, теория и проектирование электрических цепей и др. Несомненно, что современный специалист должен быть вооружен целым комплексом знаний, включающим, с одной стороны, вопросы проектирования схем с учетом физики и технологии отдельных компонентов и, с другой,— вопросы проектирования аппаратуры с точки зрения теории цепей и схемотехники. 5 Тема 1: Краткая история возникновения и развития электроники. Задание: Привести краткую историю пути человечества к современному пониманию окружающего нас мира, начиная с первых понятий, заканчивая Стандартной моделью устройства материи. Привести области распространения электроники в современном мире. Становление естествознания в современном его понимании, по мнению историков науки, прошло три стадии и в конце XX в. вступило в четвертую стадию. Первая стадия научного естествознания — натурфилософия, зародившаяся в позднем средневековье, относится к эпохе Возрождения (XV-XVI вв.). Этот период характеризуется получением знаний путем наблюдения, а не эксперимента, преобладанием догадок, а не опытно воспроизводимых выводов. При этом натурфилософия несет в себе глубокую конструктивную идею необходимости союза естествознания и философии, что прослеживается во всей последующей истории естествознания. Так, картина мироздания Дж. Бруно представляет собой воспроизведение философской модели античных атомистов на основе данных астрономических наблюдений. Итальянский философ доказывал, что у Вселенной нет центра, она беспредельна и состоит из бесконечного множества звездных систем. Теоретические положения и выводы, сделанные Дж. Бруно, базируются не столько на опытных данных, сколько на философском положении о целостности и непротиворечивости картины мира. Таким образом, несмотря на неразвитость естествознания, стадию натурфилософии отличает важная методологическая основа — синтез философских и естественнонаучных идей. Именно благодаря философскому подходу к осмыслению естественнонаучных знаний создаются научные картины мира, которые вырабатываются наукой каждой исторической эпохи. 6 Вторая стадия развития естествознания — аналитическое естествознание (XVII — конец XIX в.) — связана с формированием и систематическим развитием Натурфилософское экспериментально-теоретических познание природы превратилось исследований. в современное естествознание, в систематическое научное познание на базе Экспериментов и математического изложения полученных результатов. На стадии аналитического естествознания была получена основная масса достижений в изучении природы. Среди них — открытие законов классической механики, закона всемирного тяготения, периодического закона, разработка теории химического строения органических соединений, теории эволюции живых организмов. Возникли и начали интенсивное развитие естественные науки: физика, химия, биология, география, геология. Накопление знаний требовало более детального изучения объектов, что вело к дифференциации соответствующих наук. Так, химия разделилась на органическую и неорганическую, затем появились физическая и аналитическая химия. В биологии были выделены ботаника, зоология, анатомия, физиология. При этом внимание ученых было обращено главным образом на исследование объектов природы в сравнении с исследованиями процессов. Так, в химии изучали главным образом элементный состав и строение молекул веществ, и только к концу XIX в. ведущее место стало занимать учение о химических реакциях. В этот период преобладал подход к рассмотрению природы как неизменной во времени, то есть вне эволюции, а ее разных сфер — вне связи друг с другом. Несмотря на то, что естествознание постепенно проникалось идеями эволюционного развития, данный подход просуществовал в науке вплоть до середины XIX в. Таким образом, стадию аналитического естествознания характеризуют следующие особенности: ♦ тенденция к возрастающей дифференциации естественных наук; 7 ♦ преобладание эмпирических (то есть полученных посредством эксперимента) знаний над теоретическими; ♦ преимущественное исследование объектов природы в сравнении с исследованиями процессов; ♦ подход к рассмотрению природы как неизменной во времени, а ее разных сфер — вне связи друг с другом. Третья стадия — синтетическое естествознание (конец XIX — конец XX в.). На стадии синтетического естествознания возрастает роль теоретических знаний, интенсивно исследуются как природные объекты, так и процессы. Эволюционный подход к познанию природы становится методологической основой синтетического естествознания. Этот период развития науки характеризуется ясным пониманием целостности природы и неразрывной взаимосвязи отдельных ее частей. Например, любой живой организм можно рассматривать как механическую систему и как систему термодинамическую. Одновременно жизнь рассматривается как множество непрерывно протекающих химических реакций. При этом важно понимать, что данные подходы имеют относительный характер. Живой организм — единое целое, и потому подход к его изучению должен быть комплексным. Одним из результатов комплексного подхода к изучению природы как единого целого стало возникновение экологии — науки о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. Необходимость комплексного изучения природных объектов и явлений, с одной стороны, и одновременно растущая дифференциация наук — с другой, привели к необходимости создания синтетических дисциплин. Так на стыке смежных наук — биологии, химии, физики — появились физическая химия, биохимия, физико-химическая биология. Таким образом, главной отличительной особенностью синтетического естествознания является ориентация на создание синтетических научных дисциплин. 8 В конце XX столетия естествознание вступило в четвертую стадию своего развития, которую называют интегральным естествознанием. Интегральное естествознание характеризуется не столько продолжающимися процессами синтеза двух-трех смежных наук, сколько масштабным объединением разных дисциплин и направлений научных исследований. Примером таких новых интегральных научных направлений является кибернетика. Кибернетика — это наука об общих принципах управления в машинах, живых организмах и обществе. Это интегральная наука, возникшая на стыке ряда специальных дисциплин — теории автоматов, техники связи, математической логики, теории информации и др. Другим примером масштабной научной интеграции является синергетика, претендующая на роль общей теории развития. Синергетика — новое направление междисциплинарных научных исследований процессов возникновения порядка из беспорядка (самоорганизации) в открытых системах физической, химической, биологической и другой природы. Существенную роль в процессе научной интеграции выполняют такие общенаучные методы исследования, как математизация естествознания, разработка принципов системных исследований, использование новейших информационных технологий. Таким образом, современный этап в развитии естествознания отличают ясное понимание целостности природы, эволюционный подход к ее изучению и к осмыслению результатов исследований, интенсивно идущие процессы интеграции разных научных направлений. Усиливающаяся тенденция к интеграции естественных наук позволяет предположить, что в дальнейшем па какой-то более глубокой основе будут объединены все науки о неживой и живой природе. Естествознание, вероятно, будет выступать как единая и многогранная наука о природе. За последние 100 лет электронная индустрия буквально преобразила нашу жизнь и работу, став основой для значительных инноваций, начиная с 9 радио и заканчивая роботами и системами в области телекоммуникации и навигации. Электронная промышленность и сегодня продолжает прокладывать путь к инновациям, превосходя все остальные отрасли промышленности по уровню исследований и разработок. Если проследить путь развития электроники, то за последние 40 лет ситуация менялась очень быстро и кардинальным образом. В 70-е годы прошлого века локомотивом отрасли были потребности государства и, прежде всего, оборонной промышленности; с 80-х по 2000-й их сменили потребности корпоративного сектора, а затем потребности в персональной электронике. Сейчас двигателем развития электроники стали социальные потребности общества — эта тенденция прослеживается во всем мире. Социальные потребности общества становятся стимулом для инвестиций в исследовательскую работу и открытия новых сегментов для применения электроники. Постоянное стремление к повышению качества жизни современного коммуникации, общества дает импульс к совершенствованию систем медицинского оборудования, систем безопасности и автоматизации — проникновение электронных устройств во все сферы деятельности человека. Появляются новые рынки, которые будут бурно расти. 10 Тема 2: Вакуумная электроника. Задание: Привести схему усилителя звуковой частоты, выполненную на вакуумном триоде с подробным описанием еѐ работы (назначение компонентов схемы, последовательность распространения сигнала, временные диаграммы, напряжения, токи, частоты и т.д.). В отличие от диодов триоды имеют третий электрод – управляющую сетку, называемую обычно простой сеткой и расположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатического управления анодным током. Если изменять потенциал сетки относительно катода, то будет изменяться электрическое поле и вследствие этого станет изменяться катодный ток лампы. В этом заключается управляющее действие сетки Для электронной лампы, выполняющей роль усилителя, важнейшим условием для работы без искажения сигнала является смещение. Для этого на управляющую сетку (относительно катода) вместе с напряжением усиливаемого сигнала подают некоторое постоянное отрицательное напряжение, которое несколько закрывает лампу. Напряжение смещения предупреждает появление сеточных токов, что может вызвать искажение сигнала, и влияет на режим работы лампы в целом. Напряжение смещения для биполярных транзисторов одинаково и равно: для германиевых 0,1-0,2 В, для кремниевых – 0,5-0,7 В. Для электронных же ламп оно определяется свойствами каждой конкретной лампы и указывается в паспортах ламп и справочных таблицах. Так, например, для триода при постоянном напряжении на аноде 250 В на ее управляющую сетку должно подаваться напряжение смещения, равное минус 8 В. В принципе смещение на управляющую сетку можно подавать от специальной батареи с соответствующим напряжением, как это иногда делали в батарейных ламповых приемниках. В сетевой же аппаратуре применяют так называемое автоматическое смещение, не требующее специальной батареи. 11 Рис. 1. Триод-усилитель и графики, иллюстрирующие его работу Схема усилителя с таким способом смещения показана на рис. 1. В усилителе работает триод с катодом косвенного накала. Нить накала лампы питается от обмотки трансформатора, понижающего напряжение сети до 6,3 В. Между минусом источника питания анодной цепи, функцию которого выполняет выпрямитель, и катодом лампы включен резистор. Управляющая сетка лампы соединена через резистор с нижним выводом катодного резистора . Через резистор течет катодный ток лампы, и на нем происходит падение напряжения, соответствующее току и сопротивлению в этом участке цепи. При этом на верхнем выводе резистора, а значит, и на катоде лампы получается положительное напряжение относительно его вывода, соединенного с минусом источника анодного напряжения. А так как сетка соединена не с катодом, а с выводом резистора, противоположном катоду, она получает отрицательное напряжение относительно катода. 12 Резистор, с помощью которого на сетке лампы создают начальное отрицательное напряжение смещения, называют резистором автоматического смещения. Сопротивление резистора Rk, необходимое для получения требуемого напряжения смешения для конкретной лампы можно рассчитать по формуле Rk = Uc / Ik где - Ik катодный ток лампы, равный току анода (или сумме токов цепей многоэлектронной лампы). Чтобы измерить напряжение автоматического смещения, вольтметр объединяют параллельно катодному резистору таким образом, чтобы его зажим, отмеченный знаком «+», был подключен к катоду лампы. Если при этом вольтметр показывает 8В, значит, на сетке лампы напряжение минус 8В. Так, между прочим, подают напряжение смещения и на затвор полевого транзистора. Какова роль конденсатора Ck? Он решает ту же задачу, что и аналогичный ему конденсатор, шунтирующий эмиттерный резистор транзисторного усилителя. Когда лампа усиливает переменное напряжение сигнала, во всей ее анодной цепи появляется переменная составляющая усиливаемых колебаний. В результате на катодном резисторе, как и на анодной нагрузке возникает переменное напряжение. И если в цепи катода будет только резистор, то создающееся на нем переменное напряжение вместе с постоянным напряжением смещения будет автоматически подаваться на управляющую сетку лампы. Образуется отрицательная обратная связь, ослабляющая усиление. Конденсатор же, шунтирующий резистор автоматического смещения, свободно пропускает через себя переменную составляющую анодного тока и тем самым устраняет отрицательную обратную связь. В этом случае через катодный резистор идет только постоянная составляющая анодного тока, благодаря чему на управляющей сетке действует только постоянное начальное отрицательное напряжение смещения. 13 Емкость конденсатора Ck должна быть достаточно большой, чтобы он не представлял сколько-нибудь существенного сопротивления токам самых низших частот, усиливаемых лампой. Работу триода как усилителя можно иллюстрировать графиками, показанными на том же рис. 1. Здесь к участку сетка-катод лампы, т. е. в цепь управляющей сетки через конденсатор связи Cсв подается переменное напряжение Uвх, которое надо усилить. Источником этого напряжения может быть детекторный приемник, микрофон, звукосниматель. В анодную цепь лампы включена анодная нагрузка - резистор Rа. Пока в цепи сетки нет переменного напряжения (участок 0 а на графиках), в анодной цепи течет не изменяющийся по величине ток Iа, соответствующий нулевому напряжению на сетке. Это среднее значение анодного тока - ток покоя. Но вот в цепи сетки начало действовать входное переменное напряжение (на графиках участки аб). Теперь сетка периодически заряжается то положительно, то отрицательно, а анодный ток начинает колебаться: при положительном напряжении на сетке он возрастает при отрицательном - уменьшается. Чем больше изменяется напряжение на сетке, тем значительнее амплитуда колебаний анодного тока. При этом на выводах анодной нагрузки Rа появляется переменная составляющая напряжения, которая может быть подана в цепь сетки такой же лампы следующего каскада для дополнительного усиления. Если в цепь сетки подавать напряжение звуковой частоты, скажем, от детекторного приемника, а в анодную цепь вместо резистора Rа включить головные телефоны, то усиленное лампой напряжение заставит телефоны звучать во много раз громче, чем при подключении к детекторному приемнику. Какое усиление может дать лампа? Это зависит от ее конструкции, в частности от густоты и расположения сетки относительно катода. Чем сетка гуще и ближе расположена к катоду, тем сильнее сказывается влияние ее напряжения на электронный поток внутри лампы, тем значительнее колебания анодного тока, тем, следовательно, лампа дает большее усиление. 14 Выпускаемые нашей промышленностью триоды в зависимости от их назначения обладают различными усилительными свойствами. Одни из них могут дать двадцатитридцатикратное усиление, другие позволят усиливать напряжение в несколько сотен и даже тысяч раз. Тема 3: Плазменная электроника. Задание: Привести схему включения плазменного прибора по варианту (табл. 1) с подробным описанием еѐ работы (назначение компонентов схемы, последовательность распространения сигнала, временные диаграммы, напряжения, токи, частоты и т.д.). Вариант задаётся индивидуальным шифром. Порядок цифр справа налево, например: 54321 (1 – младшая цифра, 2 – номер десяток, 3 – номер сотен и т.д.). Таблица 1 Вариант (младшая цифра инд. шифра, 1) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Прибор Схема МТХ-90 МТХ-90 ИФК-120 ИН-13 ИН-9 СБМ-20 ЛБ-40 Р-35 ИФК-120 Р-350 Элемента памяти с индикацией. Генератора пилообразного напряжения. Стробоскопа. Индикатор уровня напряжения. Индикатор сетевого напряжения. Включения счѐтчика. Включения лампы освещения. Защиты оборудования на линии связи. Вспышки. Защиты входа приемника со стороны антенны. Схема генератора приведена на рисунке. В основу его работы положен принцип ударного возбуждения колебаний в резонансном контуре. На этом принципе основана, например, работа механизма рояля, пианино. Звук в этих инструментах вызывается ударами специального молоточка по струне, настроенной на определенную частоту. 15 В нашем приборе колебательный контур образован катушкой L1 (или L2) и конденсатором С1. Роль молоточка, ударяющего по колебательному контуру, выполняет генератор релаксационных колебаний на тиратроне МТХ-90. Управляющий электрод тиратрона соединен с катодом, то есть он работает как диод. Такой газонаполненный диод обладает замечательным свойством. Пока напряжение на его электродах мало (меньше так называемого напряжения зажигания), он не проводит электрического тока. Если увеличить напряжение, диод "зажигается" и проводит электрический ток. При этом внутри, между электродами, будет светиться красным светом наполняющий его неон. Загоревшись, МТХ-90 сохраняет проводимость и при напряжениях, меньших напряжения зажигания. Разность между напряжениями зажигания и погасания может быть весьма большой - 20-150 в. Для того чтобы обеспечить прерывистое зажигание тиратрона, параллельно ему включен конденсатор С3. Он заряжается через резисторы R1 и R2 довольно медленно, а разряжается через тиратрон быстро. Ток, протекающий по резисторам R1 и R2, не может поддерживать горение тиратрона. Когда напряжение на конденсаторе упадет ниже напряжения погасания, тиратрон погаснет. Конденсатор снова будет заряжаться. Меняя величину резистора R2, можно менять частоту вспышек тиратрона от 600 до 2000 раз в секунду. Вместе с конденсатором С3 заряжается и разряжается конденсатор С2. Он включен параллельно С3 через колебательный контур L1C1 или L2C1. Когда загорается тиратрон, конденсатор С2 разряжается через контур; в контуре возникают затухающие электрические колебания. Этот процесс повторяется 600-2000 раз в секунду. Частота собственных колебаний контура зависит от величины индуктивности катушки L1 (L2) и емкости конденсатора C1. В нашем случае она меняется в пределах 150-415 или 5201600 кГц в зависимости от положения переключателя П1. Связь прибора с исследуемым приемником производится с помощью магнитной антенны, на стержне которой намотаны катушки L1 и L2. Питание прибора производится от сети переменного тока напряжением 220 в через выпрямитель. Он собран по однополупериодной бестрансформаторной схеме. 16 Тема 4: Полупроводниковая электроника. Задание: Сделать описание принципа работы основных видов электрических переходов с примерами использования в функциональной электронике. Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает проводимостью n-типа, а другая p-типа, называется электронно-дырочным переходом (р-n-переходом). Он является основой большинства полупроводниковых приборов. Наиболее широко применяются плоскостные и точечные р-n-переходы. Плоскостной р-n-переход представляет собой слоисто-контактный элемент в объеме кристалла на границе двух полупроводников с проводимостями р- и n-типов (рис. 1 а). . По способу изготовления плоскостные р-n-переходы делятся на .выращенные, сплавные и диффузионные. В последнее время при формовке p-n-переходов микросхем широко применяется эпитаксиально-планарная технология изготовления. При формовке точечного р-n-перехода черeз точечный контакт острия (диаметром 10—20 мкм) металлической пружины с полупроводником основной массы кристалла n-типа пропускают в течение долей секунды импульс тока сравнительно большой мощности. При этом в микрообъеме под острием изменяется тип электропроводности благодаря диффузии примеси из острия пружины в полупроводник. На границе раздела р и n слоев образуется полусферический р-n-переход диаметром порядка десятков микрон (рис. 1, б). Рассмотрим физические процессы в плоскостном р-n-переходе при условии, что на границе раздела полупроводников р и n-типов отсутствуют механические дефекты, включения других химических материалов, а также внешнее pис. 1 электрическое поле (pис. 2. а). Поскольку концентрация электронов в полупроводнике n-типа значительно больше, чем в полупроводнике р-типа и, напротив, в полупроводнике р-типа высокая концентрация дырок, то на границе раздела полупровод ников создается перепад (градиент) 17 концентрации дырок.. Это вызывает диффузионное перемещение электронов из n-области р-область и дырок в противоположном направлении. Рис. 2. Структуры (а, г, ж), графики электростатического потенциала (б, д, з) и энергетические уровни (в, е, и) электроннодырочного перехода соответственно при нулевом, запирающем и отпирающем смещении В результате ухода электронов из приконтактной области n-типа и дырок из приконтактной области типа на этих участках образуется обедненный от подвижных носителей заряда слой и появляется нескомпенсированный положительный заряд за счет донорной примеси (в приконтактной области n-типа) и отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси (в приконтактной области pтипа). На рис. 2, а обедненный слой отмечен кружочками со знаками «+» и «—», обозначающими положительные и отрица-тельные ионы соответственно донорной и акцепторной примесей. Обедненный слой представляет, таким образом, область полупроводника .с соответствующей плотностью объемного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля (на рис. 2, а направление напряженности этого поля отражено вектором Ё), препятствующего дальнейшему диффузионному перемещению электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и дырок в противоположном направлении. Поскольку обедненный слой обладает малой электропроводностью, так как в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда, его еще называют запирающим слоем. Под действием электрического поля напряженностью Е через p--nпереход могут перемещаться (дрейфовать) лишь неосновные носители, т. е. дырки из полупроводника л-типа и электроны из полупроводника p-типа, которые обусловливают дрейфовый ток. Общая плотность тока через p-n-переход определяется суммой диффузионных и дрейфовых составляющих плотностей токов, которые при отсутствии внешнего напряжения равны. Так как диффузионный и 18 дрейфовый потоки зарядов через п-р-переход перемещаются во встречном направлении, то они компенсируют друг друга. Наличие двойного электрического слоя обусловливает возникновение в p-n-переходе контактной разности потенциалов, претерпевающей наибольшее изменение на границе полупроводникое п- и p-типов и называемой потенциальным барьером . Таким образом, при отсутствии внешнего напряжения р-n-переход находится в состоянии термодинамического равновесия. Это предполагает равенство уровней Ферми для п и p-областей полупроводника.оэтому границы зон в запирающем слое изогнутся на величину Фк (рис. 2 в), так как концентрация примеси в данном полупроводнике является постоянной. Если подключить к p-n-переходу источник внешнего напряжения таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника nтипа, а минус — к области полупроводника p-типа (такое включение называют обратным, то обедненный слой расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки смещаются от р-nперехода в разные стороны. Ширина нового обедненного слоя показана условно. штрих-пунктирными линиями. При этом высота потенциального барьера также возрастает, поскольку напряжение внешнего смещения включено согласно контактной разности потенциалов . Увеличение потенциального барьера нарушает состояние термодинамического равновесия. При этом диффузионная составляющая плотности тока через р-n-переход, уменьшается. Дрейфовая же составляющая лотности тока не изменяется, поскольку при увеличении обратного напряжения увеличивается лишь скорость дрейфа неосновных носителей, а не их концентрация, которая определяется процессом термогенерации . Ток через р-n-переход в этом случае определяется выражением Вольт-амперная характеристика p-n-перехода, смещенного в обратном направлении, показана на рис. 3, а (сплошная кривая). Таким образом, обратный ток определяется неосновными носителями в полупроводнике (дрейфовой составляющей тока). Границы зон в запирающем слое изгибаются на величину Фк+ +Uобр»,а уровень Ферми изменяется на величину Uобр (рис. 3 е), поскольку его положение относительно дна зоны проводимости полупроводника n-типа и потолка валентной зоны полупроводника p-типа должно быть таким же, как и в состоянии термодинамического равновесия (рис. 3, в). Если величина обратного напряжения превышает некоторое значение Uобр. пр, называемое пробивным, обратный ток Io резко возрастает. Если его не ограничить, то произойдет электрический пробой p-n-перехода, сопровождаемый часто тепловым пробоем. Электрический пробой объясняется тем, что при Uобр > Uобр.пр электрическое поле в p-n-переходе 19 становится столь сильным, что в состоянии сообщить электронам и дыркам энергию, достаточную для Рис. 3. Обратная (а), прямая (б) и туннельная (в) ветви вольт-амперной характеристики р-л-перехода ударной ионизации вещества перехода с лавинообразным процессом размножения дополнительных пар зарядов. Эти пары способствуют резкому возрастанию обратного тока. Кратковременный электрический пробой не вызывает порчу p-n-перехода, т. е. является обратимым явлением. При тепловом пробое происходит недопустимый перегрев p-n-перехода и он выходит из строя. С ростом температуры окружающей среды обратный ток возрастает, так как в процессе термогенерации по экспоненциальному закону возрастает концентрация неосновных носителей. На рис. 3, а вольт-амперная характеристика pn-перехода, смещенного в обратном направлении при более высокой температуре, показана штриховой линией. Если поменять полярность источника внешнего напряжения (такое смещение называется прямым, рис. 4, ж), то обедненный слой p-n-перехода сужается, а его проводимость увеличивается. Это связано с тем, что обедненный слой пополняется основными носителями заряда из объемов областей п- и p-типов, поскольку под воздействием Unp электроны и дырки движутся навстречу друг другу к p-n-переходу. Так как напряжение внешнего источника прикладывается встречно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер снижается на величину Uпр и создаются условия для инжекции основных носителей—дырок из полупроводника p- типа в полупроводник nтипа и электронов в противоположном направлении. При этом через р-nпереход протекает большой прямой ток, обусловленный основными носителями заряда. Дальнейшее снижение потенциального барьера ведет к росту прямого тока при неизменном значении обратного дрейфового тока. В процессе технологической обработки кристалла примесь вводится таким образом, что ее концентрация, а следовательно, концентрация основных носителей в одной из областей кристалла (обычно в полупроводнике n-типа) на 2—3 порядка превышает концентрацию примеси в другой области. Область с высокой концентрацией примеси (низкоомная область) является основным источником носителей подвижных зарядов через p-n-переход и называется эмиттером. Область с низкой концентрацией примеси является высокоомной и называется базой. Поэтому доминирующей 20 составляющей прямого тока, протекающего через p-n-переход и состоящего из электронной и дырочной составляющих, будет та, которая определяется основными носителями зарядов области с более высокой их концентрацией. Вольт-амперная характеристика pn-перехода при прямом смещении, показана на рис. 3, б (сплошная кривая). С увеличением внешнего напряжения Uпр ток через p-n-переход увеличивается по экспоненциальному закону. При Uпр переход по существу исчезает и ток ограничивается лишь сопротивлением (единицы и даже десятки ом) базовой области . На рис. 3 масштабы для прямых и обратных токов взяты разными, поскольку прямой ток более чем на два порядка превышает обратный ток. Это обусловливает вентильные свойства p-nперехода. С ростом температуры прямая ветвь вольт-амперной характеристики p-n перехода смещается в область больших токов (рис. 3, б—штриховая кривая). Тема 5: Функциональная электроника. Задание: Произвести расчѐт усилителя класса А на биполярном транзисторе графическим методом по заданному варианту. Исходные данные задаются путѐм подстановки значений напряжений и токов (шаг значений равномерный) в рисунок 1, выбранных по таблице 2. Iб UКЭ=0 В UКЭ>3 В Iб6 Iб3 0 Iк IK3 0,5 а 1 Uэб,(B) Iб7 Iб6 Iб5 IK2 Iб4 Iб3 IK1 Iб2 Iб1 0 Uэк1 б Uэк2 Uэк Рис. 1 – Семейство входных (а) и выходных (б) характеристик биполярного транзистора Вариант 0 Выбирается по младшей цифре 1 инд. шифра 1 2 3 4 5 6 7 8 21 9 Iб1,(мкА) Iк1,(мА) Вариант Uэк1,(В) 1000 100 100 5 0 2 1 2,5 200 300 400 500 600 700 10 20 30 40 50 60 Выбирается по цифре 2 инд. шифра 2 3 4 5 6 7 3 5 7,5 10 7,5 5 800 70 900 80 8 3 9 2,5 На семействе выходных характеристик в соответствии с заданием Ik1= 5 мA и Uэк1= 2 В находим точку покоя А, соответствующую Iб= 0,3 мА. На семействе выходных характеристик строим ВАХ резистора по уравнению Uкэ=Ек-Iк*Rк находим сопротивление Rк. Принимаем Ек=4 В. При Uкэ=0 Rк= Ек/ Iк = 4/5=0,8 кОм Мощность на коллекторе Pк=Ik1*Uэк1=5*2=10 мВт Строим график изменения сигнала в интервале от Iбmin=0,1мА до Iбmax=0.5мА Амплитудное значение тока базы Iб.m=(0,5-0,1)/2= 0,2 мА Для тока коллектора и напряжения коллектор-эмитер Iк.min=1,8 мА до Iк.max=7.5мА , Uкэ.min=0,95 В до Uкэ.max=3,4 В Амплитудное значение тока коллектора и напряжения коллекторэмитер Iк.m=(7,5-1,8)/2= 2,85 мА, Uкэ.m=(3,4-0,95)/2= 1,23 В На входной характеристике и определим амплитуду входного напряжения Uбэ.min=0,63 В до Uбэ.max=0,82 В , Uбэ.0=0,75 В Амплитудное значение напряжения база-эмитер Uбэ.m=(0,82-0,63)/2= 0,09 В Коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности 22 Кi= Iк.m/ Iб.m=1,8/0,2=9 Кu= Uкэ.m / Uбэ.m =1,23/0,09=13.67 КР= Кi* Кu= 9*13,67=123 Входное сопротивление Rвх=Uбэ.m/Iб.m=0.09/0.2= 0.45 кОм Выходное сопротивление Rвых=Uкэ.m/Iк.m=1,23/1,8= 0.68 кОм Схема включения транзистора с общим эмитером в усилительный каскад 23 Заключение В данной работе рассмотрены этапы развития электроники от простейших электронных ламп до интегральных микросхем. Электроника, наиболее быстро развивающаяся наука. Она все глубже входит в нашу жизнь, и современный человек уже не в состоянии обойтись без нее. В последнее время наблюдается тенденция миниатюризации, когда сложнейшие электронные устройства, занимающие целые комнаты, умещаются на ладони. Электронные устройства управляют технологическими процессами, делают нашу жизнь комфортнее. Современная техника не может управляться вручную, человек не в состоянии реагировать на изменение условий с должной скоростью. (например современные самолеты, автомобили и др.) 24 Список использованных источников 1 Гершензон, ЕМ. Радиотехника [Текст]: Учеб. пособие для студентов физ.мат. фак. пед. ин-тов / Е. М. Гершензон, Г. Д. Полянина, Н.В. Соина. — М.: Просвещение, 1986. — 319 с. 2 Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника [Текст]: Учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. — М.: Высш. шк., 2006. — 799 с. 3. Данилов, И. А. Общая электротехника с основами электроники [Текст]; Учеб. пособие для студ. неэлектротехн. спец. средних спец. учеб. заведений / И.А.Данилов, П.М.Иванов. — М.: Высш. шк.. 2005. — 752 с. 4. Евдокимов, Ф. Е. Общая электротехника [Текст]: Учеб. для учащ. неэлектротехн. спец. техникумов / Ф. Е.Евдокимов. — М.: Высш. шк., 2004. — 367 с. 5. Жеребцов. И. П. Основы электроники [Текст] / И П. Жеребцов. — Л.: Энергоатомиздат, 1989. — 352 с. 6. Касаткин, А. С. Электротехника [Текст] / А. С. Касаткин, М. В. Немцов — М.: Высшая школа, 2003. — 544 с. 7 Колонтаевский, Ю.Ф. Радиоэлектроника: Учеб. пособие для СПТУ [Текст] / Ю.Ф. Колонтаевский. — М.: Высш. шк., 1988. — 304 с. 8. Лачин, В. И., Сэвѐлов, Н. С. Электроника: Учеб. пособие [Текст] / В. И. Лачин, Н. С. Савѐлов. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2004. — 572 с 9. Майер, Р. В. Как стать компьютерным гением или книга о информационных системах и технологиях [Текст] / Р. В. Майер. — Глазов: ГГПИ, 2008. —204 с. (http://maier-rv.glazov.net) 10. Майер, Р. В., Кощеев, Г. В. Учебные экспериментальные исследования по электротехнике и электронике / Р. В. Майер, Г. В. Кощеев; под ред. Р.В.Майера. —Глазов: ГИЭИ, 2010. —72с. (http://maier-rv.glazov.net) 11. Цейтлин, Л. С. Руководство к лабораторным работам по теоретическим основам электротехники [Текст]: Учеб. пособие для электротехн. спец. техникумов / Л. С. Цейтлин. — М.: Высш. шк., 1985. — 256 с. 12. Электроника: Энциклопедический словарь [Текст] / Гл. ред. В. Г. Колесников. — М.: Сов энциклопедия, 1991 — 688 с. 25
