Учебно-методический комплекс по дисциплине Электроника
Скачать 1.26 Mb.
|
| 4.5. Тематика курсовой работы Предусмотрена курсовая работа. В процессе выполнения курсовой работы осуществляется расчет принципиальной схемы управления тиристорным силовым однофазным ключом регулятора мощности. 5. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
Результаты самостоятельной работы контролируются и учитываются при аттестации студента. 6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 6.1. Рекомендуемая литература Основная
Дополнительная
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины Компьютерные программы: 1. Electronics Workbench – электронная лаборатория на IBM PC. 2. MATLAB – матричная лаборатория. 3. Mathcad – универсальная математическая система. ЭЛЕКТРОНИКА КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Принцип работы диода Полупроводниковые вещества имеют кристаллическую структуру. Во всех твердых веществах атомы неподвижны, т.к. закреплены в узлах кристаллической решетки. К таким веществам относятся четырехвалентные полупроводниковые элементы: германий Ge, кремний Si, селен Se и некоторые химические соединения (например, арсенид галия GaAs). Полупроводники, которые не содержат чужеродных атомов, называются беспримесными или собственными полупроводниками. В собственных полупроводниках при комнатной температуре под действием тепла возможна очень малая проводимость этих материалов (т.к. создается и поддерживается относительно невысокая, взаиморавная концентрация электронов проводимости и дырок; концентрация – это количество зарядов в единице объема). Дырка – это место в кристаллической решетке полупроводника, где недостает электрона. Чтобы полупроводниковый элемент был пригоден для создания электронного устройства, в него необходимо добавить примесь. Введением в полупроводник соответствующей примеси, т.е. легированием, можно резко увеличить его электропроводность. Примесь обычно вводят с концентрацией N=1014-1017 см3, что существенно превышает концентрацию электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике. При такой концентрации примеси один примесный атом приходится на 106-108 атомов основного вещества, содержащего в 1 см3 около 1023 атомов. Т.е. примеси составляют примерно 1/10 млн долю вещества. Существует два типа полупроводников c примесями: n–типа и p–типа. Для получения полупроводника n–типа в него добавляют пятивалентный химический элемент, например мышьяк As, фосфор Р, сурьму Sb и т.д. При этом пятивалентные атомы примеси, располагаясь в узлах кристаллической решетки основного вещества, обеспечивают (насыщают) четыре валентные связи, пятый же валентный электрон, являясь лишним в структуре ковалентных связей кристалла, оказываются относительно слабо связанным с соответствующим узлом. Поэтому под действием тепла этот электрон примесного атома отрывается от него и становится электроном проводимости, а сам пятивалентный атом превращается в положительно заряженный ион, который из-за сильных валентных связей с соседними атомами не может свободно перемещаться по кристаллу и быть переносчиком электрического заряда. Положительный ион – это атом, потерявший электрон. Однако, в целом кристалл остается нейтральным, так как положительно заряженные ионы полностью уравновешиваются отрицательными зарядами электронов проводимости. Такая примесь называется донорной. При введении такой примеси концентрация электронов проводимости в кристалле возрастает и его электропроводность приобретает электронный характер (электропроводность n-типа). В обычных температурных условиях практически все примесные атомы ионизируются, поэтому в равновесном состоянии полупроводника концентрация электронов проводимости примерно равна концентрации примеси. Наряду с ионизацией доноров, поставляющих электроны проводимости, в кристалле происходит термогенерация пар носителей зарядов: электронов проводимости и дырок. Но дырки в среде с повышенной концентрацией электронов проводимости интенсивно рекомбинируют с ними, поэтому их время жизни, а соответственно и их концентрация оказываются много меньше, чем в собственном полупроводнике. Электроны проводимости в полупроводнике n-типа принято называть основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда. Если в качестве примеси взять трехвалентный химический элемент, например индий In, галлий Ga, алюминий Al, бор В и т.д., то трехвалентный атом, располагаясь в узле кристаллической решетки, сможет установить (обеспечить) лишь три ковалентные связи с соседними атомами. Отсутствующая четвертая валентная связь у трехвалентного атома, расположенного в узле кристаллической решетки, относительно легко может быть заполнена общим валентным электроном соседней пары атомов. Трехвалентный примесный атом, захвативший дополнительный (четвертый) валентный электрон, превращается в неподвижный отрицательно заряженный ион, а у соседней пары атомов, потерявших один валентный электрон, возникает дырка. Отрицательный ион – это атом, получивший электрон. В дальнейшем дырка под действием тепла, путем последовательного перемещения валентных электронов, начинает хаотически блуждать по всему кристаллу, становясь подвижным носителем положительного заряда. Такая примесь называется акцепторной. При введении такой примеси концентрация дырок в кристалле возрастает и его электропроводность приобретает дырочный характер (электропроводность р-типа). При обычных температурах почти все примесные атомы ионизируются. В данном случае основными носителями заряда являются дырки. А неосновными – электроны проводимости, возникающие вследствие процесса термогенерации. Электропроводность полупроводника, обусловленная примесями, называется примесной электропроводностью. Т.о. в полупроводниках n–типа ток переносят отрицательно заряженные частицы – электроны, а в полупроводниках p–типа – положительно заряженные частицы – дырки. Перемещение дырок – это перемещение мест с отсутствующими электронами в результате движения электронов. Основой полупроводникового диода является двухслойная структура, созданная на основе кристалла полупроводника, имеющего две области. В одну область кристалла вводится донорная примесь (n- область), а в другую – акцепторная (p- область). Граница раздела двух областей с различной проводимостью называется. p-n переходом. В приграничных областях двух полупроводниковых сред с различным типом проводимости происходит диффузионное перемещение (взаимопроникновение) подвижных носителей зарядов. Дырки диффундируют из p-области, где их много, в n-область, где их относительно мало, а электроны проводимости, наоборот, из n-области в p-область. Из-за встречной диффузии через p-n переход дырок (из р- в n- область) и электронов (из n- в р- область) в тонком слое вблизи p-n перехода происходит рекомбинация (взаимная компенсация) дырок и электронов (дырки заполняются электронами). В результате между р- и n- областями образуется так называемый обедненный слой, который имеет очень мало свободных носителей заряда. Обедненный слой, лишенный свободных носителей, ведет себя как изолятор. Примечание: толщина p-n перехода зависит от концентрации примесей в р- и n-областях (при несимметричном p-n переходе, когда концентрация примеси в одной из областей больше, чем в другой, обедненный слой практически располагается в области с малой концентрацией примеси). Как только электроны покидают n- область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних положительных ионов, который будет тянуть свободные электроны обратно и препятствовать их движению в сторону р-n перехода. Точно также, когда дырки покидают p- область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних отрицательных ионов, который будет тянуть свободные дырки обратно и препятствовать их движению в сторону р-n перехода. Эти равные по абсолютной величине заряды неподвижных ионов примесей оказываются не скомпенсированы и создадут по обе стороны p-n перехода область объемного заряда. Этот объемный заряд образует потенциальный барьер. Потенциальный барьер затрудняет диффузию основных носителей. Энергия носителей зарядов оказывается недостаточной, чтобы преодолеть этот барьер, поэтому их диффузия прекращается. Однако, потенциальный барьер создает благоприятные условия для перехода неосновных носителей из одной области в другую. Так, некоторые электроны проводимости полупроводника р-типа, совершая беспорядочное тепловое движение, подходят к границе обедненного слоя, где их захватывает ускоряющее электрическое поле, и они переходят в n-область. То же самое происходит с дырками полупроводника n-типа, которые аналогичным способом переходят в р-область. Этот ток называют тепловым током Iт=Iтр+Iтn. Если к полупроводниковому диоду приложить внешнее напряжение так, чтобы его положительный потенциал присоединен к p-слою, то дырки и электроны будут как бы отталкиваются источником внешнего напряжения в сторону р-n перехода. Переход основных носителей зарядов через границу (электронов из n-слоя и дырок из p-слоя) и их взаимная компенсация возрастают, потенциальный барьер уменьшается. Следовательно, через диод будет протекать ток. Источник будет поставлять в n-слой новые электроны, а в p-слое создавать новые дырки. При обратном знаке напряжения электроны притягиваются к положительному потенциалу источника, а дырки к отрицательному, потенциальный барьер в области p-n перехода увеличивается, переход зарядов через границу почти прекращается, ток через диод очень мал. Этот ток обусловлен тепловым разрушением ковалентных связей в обоих слоях и образованием пар электрон-дырка. Эти неосновные носители (электроны в p-слое и дырки в n-слое) имеют такой знак заряда, который способствует их прохождению через переход. Полупроводниковый диод – это своеобразный конденсатор: области n и p можно рассматривать как обкладки конденсатора, а p-n переход – как изолятор между обкладками. Различают диффузионную (при прямом приложенном напряжении) и барьерную (при обратном напряжении) емкости диода. Емкость полупроводникового диода – это бесплатное приложение к его основному свойству – к односторонней проводимости. Во многих случаях это свойство является вредным, т.к. ухудшает работу диода на высоких частотах, в импульсных режимах и обуславливает его инерционность. Вывод p-слоя называется анодом (А). Вывод n-слоя называется катодом (К). Диод является проводником, поэтому в цепи должен быть элемент, ограничивающий ток. Таким элементом является резистор Rн. Ток через него равен: I=(U Uпр)/Rн.  Uпр0, поэтому I=U/Rн; URн=IRн=U.При обратном включении диода через него протекает незначительный обратный ток. Для диодов на малые токи обратный ток может составлять десятки нА, у больших диодов десятки mА. При обратном включении диода U=URн+Uобр, URн=IобрRн0, т.к. Iобр 0, поэтому U=Uобр. Часто диод включен в схему, где приложенное напряжение является переменным. Виды этих напряжений: 1. Синусоидальное. 2. Прямоугольное. 3. Треугольное. 4. Экспоненциальное. 1.2. Вольт-амперная характеристика диода Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика диода приближенно она может быть описана уравнением: I=IO(e U/mт –1), (1) где IO – ток насыщения обратно смещенного перехода (обратный тепловой ток); U – напряжение на p-n переходе; т = kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов к на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения; k =1,3810-23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q =1,610-19кулон – заряд электрона; m - поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории. При комнатной температуре Т=300К (27оС), т = 0,026В. На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь, которая находится в первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (1) хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и для небольших токов, В соответствии с (1) сопротивление диода является нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая линия. На прямой ветви реальной ВАХ имеется резкий загиб, который характеризуется напряжением включения. Для германиевых диодов напряжение включения равно примерно 0,3В, для кремниевых – примерно 0,6В. Значение обратного тока на обратной ветви примерно постоянно в широком диапазоне напряжения. При превышении определенного значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя Uпроб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока, соответствующий электрическому пробою p-n перехода. Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой перейдет в тепловой. Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в p-n переходе. При этом мощность, выделяющаяся в диоде UобрIобр, не успевает отводиться от перехода, его температура растет, растет обратный ток и, следовательно, продолжает расти мощность. Тепловой пробой необратим, т.к. разрушает p-n переход. У любого диода оговаривается несколько основных параметров:
Преобладают кремниевые диоды, так как имеют более высокую предельную рабочую температуру (150оС против 75оС для германиевых), допускают большую плотность прямого тока (60...80А/см2 по сравнению с 20... 30А/см2), обладают меньшими обратными токами (примерно на порядок) и большими допустимыми обратными напряжениями (1500...2800В по сравнению с 600...800В). Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения. Прямое падение напряжения при прямом номинальном токе обозначается Uпр. Uпр=0,3...0,4В для германиевых диодов, Uпр=0,6...1,2В для кремниевых диодов. Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощностью P=UI. U и I относятся к определенной точке ВАХ. Мощность определяет нагрев. Если диод начинает работать на не рабочих участках ВАХ, он выходит из строя. На не рабочих участках мощность превышает допустимую, нагрев превышает допустимый. При нагреве, превышающем допустимый, диод разрушается. При рассмотрении режимов работы схем с диодами их часто представляют в виде идеализированных приборов, которые являются идеальными проводниками в прямом направлении и идеальными изоляторами в обратном направлении. По назначению различают следующие типы диодов: 1. Выпрямительные. 2. Импульсные. 3. Высокочастотные. 4. Стабилитроны и стабисторы. Диоды различают также по мощности и по частотным свойствам. 1.3. Выпрямительные диоды Предназначены для работы при напряжениях частоты до нескольких кГц и при некрутых фронтах питающего напряжения. Не предназначены для прямоугольного питающего напряжения. Для выпрямительных диодов оговариваются два основных параметра: 1.Ток прямой номинальный (среднее значение). 2. Напряжение обратное максимальное (мгновенное). Диоды выпускаются на ток 10мА...1000А. Обратное напряжение находится в пределах от 10В до нескольких кВ. Для мощных диодов (ток 10А) обратное напряжение определяют классом диода. Класс диода - это 100В, умноженное на цифру класса. Цифра класса от 1 до 20. Например: Д50-12, здесь 50 ток прямой номинальный в А; 12 класс. Класс это параметр, используемый для мощных диодов и характеризующий обратное напряжение. У мощных диодов номинальный прямой ток допустим только при установке диода на радиатор и при принудительном охлаждении со скоростью воздуха 12м/с. Без принудительного охлаждения воздухом (имеется только радиатор) допустимый ток составляет около 30% от номинального. У современных диодов распространены следующие обозначения: ДXXXY или КДXXXY, где КД кремниевый диод, XXX цифры, Y буква. Первая цифра говорит о виде диода (выпрямительные 1,2). Буква определяет обратное напряжение. Второстепенные параметры: 1.Максимальный обратный ток Iобр.макс (от десятков нА до десятков мА). 2.Прямое падение напряжения Uпр ( 0,3...1,2В). 3.Максимальная рабочая частота, до которой обеспечиваются заданные токи, напряжения и мощность. 4.Время восстановления запирающих свойств диода. Диод не проводит (или запирается) при приложении обратного напряжения. Запирание переход от проводящего состояния к непроводящему. При приложении прямоугольного обратного напряжения диод ведет себя следующим образом. Интервал I время рассасывания носителей, интервал II бросок обратного тока. Он связан с наличием барьерной емкости диода. Интервал tв - время восстановления, т.е. время перехода от проводящего состояния до момента установления обратного тока на ВАХ. Из-за не идеальности диода ограничивается предельная частота его работы. При очень высокой частоте диод перестает выполнять свои функции. 1.4. Высокочастотные диоды Для них оговариваются те же параметры (основные и второстепенные), но они могут работать при высокой частоте и обладают малым временем восстановления (по сравнению с выпрямительными). Для них приводится график прямого тока в зависимости от частоты. 1.5. Импульсные диоды Оговариваются те же основные параметры, что и для рассмотренных выше диодов, и приводится еще важный второстепенный параметр - импульсный ток за оговоренное время. 1.6. Стабилитроны и стабисторы Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же как у диодов, она также может использоваться. Для стабилитронов указывается два основных параметра: Uст - напряжение стабилизации стабилитрона; Iст.н – номинальный ток стабилитрона. Uст=3,3...170В. Для Uст указывается разброс в процентах или в вольтах, а также изменение Uст при изменении температуры. У маломощных стабилитронов Iст.min=1...3mА, Iст. max=30mA. Iст.н у мощных стабилитронов составляет несколько сот mA. Стабисторы - это стабилитроны, у которых используется прямая ветвь ВАХ. Такая ВАХ создается технологически. Стабистор – это диод с большим падением напряжения, которое постоянно при изменении тока. Стабилитроны и стабисторы могут соединяться последовательно, но не параллельно. Они используются в стабилизаторах и ограничителях напряжения. |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс дисциплины «Электротехника и электроника» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта, утвержденного приказом... |  | Учебно-методический комплекс по дисциплине Оптическая и квантовая электроника Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «материалы и элементы электронной техники» Дисциплина «материалы и элементы электронной техники» входит в цикл общепрофессиональных дисциплин направления 210100 «Электроника... | | Учебно-методический комплекс ростов-на-Дону 2009 Учебно-методический... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Адвокатская деятельность и адвокатура» разработан в соответствии с образовательным стандартом... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Методы оптимальных решений» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных, практических и лабораторных... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Медиапсихология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Искусствоведение» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Макроэкономика» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «судебная медицина» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Примерная структура, состав и содержание учебно-методического комплекса... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Социология рекламной деятельности» составлен в соответствии с требованиями Государственного... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психодиагностика» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы нейропсихологии» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психология стресса» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы патопсихологии» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
