книги / Физические основы электроники
..pdfвысшее горное оврлзованис
Ю.Н. БОБЫЛЕВ
Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О Н И К И
Рекомендовано Министерством общего и профессионального обра зования Российской Федерации в качестве учебного пособия для сту дентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и тех нологических комплексов»
ЛМ О С К В А ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
у//////////////////////////////////////////М^
♦ 4- ♦
РЕПАК11ИОННЫЙ СОВЕТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Председатель
Л.А. Пучков — ректор МГГУ, чл.-корр. РАН
Зам. председателя
Л.Х. Гитис — директор Издательства МГГУ
Члены редсовет а
И.В. Дементьев А.П. Дмитриев Б.А. Картозия
В.В.Курехин М .В. Курленя В.И. Осипов
Э.М . Соколов К.Н . Трубецкой
В.В.Хронин
В.А. Чантурия Е.И . Шемякин А.Л. Яншин
—академик Р А Е Н
—академик Р А Е Н
—академик Р А Е Н
—академик Р А Е Н
—академик Р А Н
—академик Р А Н
—академик M A H В Ш
—академик Р А Н
—профессор
—академик Р А Н
—академик Р А Н
—академик Р А Н
'////////////////////////////////////////////////////у///////////,
УДК 621.382.2/3(075.8) ББК 31.264.5
Б 72
Спонсор и з д а н и я :
ОАО «Московский трубный завод «Филит»
Р е ц е н з е н т ы :
кафедра машин и автоматизации сварочных процессов МГТУ им. Н.Э. Баумана (проф., д-р техн. наук, чл.-корр. РИА Э.А. Гладков), кафедра электротехники и интроскопии МЭИ (проф., д-р техн. наук В.В. Сухоруков)
Бобылев Ю.Н.
Б 72 Физические основы электроники. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1999.
— 290 с.
ISBN 5-7418-0130-7
Рассмотрены основные вопросы физики полупроводников, описаны элементная база и современные устройства промышленной электроники, элементы импульсной и цифровой схемотехники. Приведены методики и основные расчетные соотношения для анализа работы элементов и отдель ных устройств электроники, в конце каждой главы даны контрольные во просы. В пособии приведен список современной литературы по физическим основам электроники.
Для студентов, обучающихся по специальности «Электропривод и ав томатика промышленных установок и технологических комплексов». Может бьггь рекомендовано также для специальностей «Электроснабжение горного производства» и «Технология машиностроения».
|
УДК 621.382.2/3(075.8) |
|
ББК 31.264.5 |
ISBN 5-7418-0130-7 |
© Ю.Н. Бобылев, 1999 |
|
© Издательство МГГУ, 1999 |
с общим эмиттером, общей -базой и общим коллектором. Приводятся динамические характеристики усилительного каскада, принцип работы усилителей напряжения с резистор но-емкостной связью, работа усилителей мощности. Описы ваются усилители с обратной связью, усилители постоянного тока. Рассматривается работа дифференциальных усилителей, операционных и избирательных RC-усилителей.
Шестая глава содержит необходимый материал по работе RC- и LC-автогенераторов, рассматриваются вопросы стаби лизации частоты автогенераторов.
Седьмая глава содержит материал по выпрямителям и ста билизаторам: рассматриваются однофазные выпрямители, сгла живающие фильтры, внешние характеристики выпрямителей, приводятся схемы умножителей напряжения, трехфазных вы прямителей и описывается их работа. Приводятся схемы ста билизаторов напряжения, тока и рассматривается их работа.
В восьмой главе даны общие сведения и рассмотрена ра бота преобразователей постоянного напряжения с самовоз буждением, с независимым возбуждением, преобразователей на тиристорах (инверторы тока и напряжения).
В девятой главе, посвященной импульсной и цифровой технике, рассматриваются: применяемые сигналы, работа транзистора в импульсном режиме, работа логических эле ментов, дифференцирующие и интегрирующие цепи, интегра торы и дифференциаторы на операционных усилителях, ог раничители на микросхемах операционных усилителей. Опи сывается работа мультивибраторов, блокинг-генераторов, триггеров, счетчиков импульсов, регистров сдвига, шифрато ров и дешифраторов, цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей, рассматриваются особенности микропро цессорных контроллеров.
Для более глубокого усвоения материала в конце каждой главы даны контрольные вопросы.
Существующая литература по рассматриваемому мате риалу разрознена, что значительно затрудняет изучение его студентами. Данное учебное пособие предназначено устра нить пробел и помочь студентам в освоении курса. Может быть полезно и студентам специальностей 1004 (ЭС) и 1201
(ГМ).
Автор с благодарностью примет замечания и предложе ния, направленные на улучшение учебного пособия.
кие состояния заняты электрона ми, называется заполненной зоной.
В полупроводниках верхняя за полненная зона . называется ва лентной. Разрешенная зона, в ко торой при абсолютном нуле тем пературы электроны отсутствуют, называется свободной. Свободная зона, на уровнях которой при воз буждении могут находиться элек троны, носит название зоны про водимости.
В полупроводниках обычно рассматривают запрещенную зону, разделяющую валентную зону и зону проводимости, которые при исследовании процес сов электропроводности представляют наибольший интерес.
Под шириной запрещенной зоны ез понимают разность энергий между нижним уровнем (дном) зоны проводимости (свободной зоны) е с и верхним уровнем (потолком) валентной зоны бв:
|
|
Ез — 6с — Е в. |
( 1 . 1 ) |
, 1 |
|
Ширина запрещённой |
зоны |
|
|
является основным параметром, |
|
|
|
определяющим электрические сво |
|
|
|
йства твердого тела,. Для перехо- |
|
_____ _______________ _ |
да электрона из низшей энер- |
||
Эона проводимости |
гетическои зоны в высшую требу- |
||
|
ссбоводная) |
ется затрктить энергию, равную |
|
— 1---- Запрещ енная |
ширине разделяющей их запре- |
||
k |
зо н а |
шеннойзоны. |
тела |
ц__________________ |
Способность твердого |
||
/bcis/е н т н а я зо н а |
проводить ток под действием эле- |
||
(30.полненная) |
ктрического поля зависит от сгрук- |
||
<//////////////////////////////////////////////////////^^^
--------------------------------------- Рис. 1.2
туры энергетических зон и степени их заполнения электрона ми. Диаграмма распределения энергетических зон у диэлек триков показана на рис. 1.2.
При температуре абсолютного нуля валентная зона пол ностью заполнена электронами. Зона разрешенных уровней совершенно пуста (свободная зона), а запрещенная зона дос таточно широка. Поэтому при абсолютном нуле, отсутствии света и несильном внешнем электрическом поле твердое тело с подобным строением энергетических зон является совер шенным изолятором. При повышении температуры или осве щении диэлектрика электроны из валентной зоны могут про ходить в зону проводимости. Вероятность таких переходов увеличивается с ростом температуры. Однако токи в диэлек триках очень малы. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем меньше вероятность передачи электрону энергии, необхо димой для перехода в зону проводимости, и тем боль-ше со противление диэлектрика. Обычно с повышением темпе ратуры ширина запрещенной зоны уменьшается. Для диэлект риков ширина запрещенной зоны составляет 5-10 эВ и выше.
Полупроводники имеют аналогичное с диэлектриками строение энергетических зон. Разделение твердых тел на полу проводники и диэлектрики является условным. При достаточно высокой температуре диэлектрик ведет себя как полупровод ник, а любой чистый полупроводник при низких температурах подобен диэлектрику. Обычно к полупроводникам относят твердые тела, у которых ширина запрещенной зоны не превы шает 1,5-2 эВ.
1.2. Генерация и рекомбинация
носителей зарядов
Наиболее широко применяют в полупроводниковой элек тронике элементы IV группы периодической системы элемен тов Менделеева — германий Ge и кремний Si. У элементов IV группы имеются четыре валентных электрона. В идеальном кристалле германия или кремния все ковалентные связи за полнены, все электроны связаны. Идеальный кристалл полу проводника (германия) при близкой к абсолютному нулю температуре является практически диэлектриком.
При температуре Т > О К часть электронов под действием теплового механизма возбуждения разрывает ковалентные связи и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Среднее время, в течение которого электрон находится в воз бужденном состоянии, т.е. время его пребывания в зоне про водимости, называется временем жизни электрона. Одновре менно с появлением электронов в зоне проводимости в вален тной зоне возникают незаконченные связи вблизи тех атомов, от которых эти электроны отделились. Не занятое электрона ми энергетическое состояние валентной зоны называется дыр кой проводимости.
Таким образом, под действием тепла или света происхо дит процесс образования или генерации пары электрон про водимости — дырка проводимости. Дырка в электрическом и магнитных полях ведет себя как частица с положительным за рядом, по абсолютной величине равным заряду электрона; масса дырки примерно равна массе электрона. После своего появления дырка совершает хаотическое движение в течение некоторого времени, которое принято называть временем жиз ни, а затем рекомбинирует с электроном. В зоне проводимо сти электроны занимают наиболее низкие уровни энергии (осе дают на «дно» зоны проводимости); дырки, наоборот, зани мают самые высокие уровни — всплывают к «потолку» ва лентной зоны.
При наличии свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Проводимость кристалла оп ределяется при этом числом свободных электронов в зоне проводимости и свободных энергетических уровней в валент ной зоне. Незанятая связь (дырка) в валентной зоне может быть занята электроном, который перейдет с нейтрального атома кристалла. Там, где был электрон, появляется новая незаполненная связь и т.д. Процесс последовательного запол нения свободной связи эквивалентен движению дырки в кри сталле полупроводника. Во внешнем электрическом поле элек троны дрейфуют в сторону, противоположную направлению электрического поля, а дырки — в обратном направлении (в направлении внешнего электрического поля).
ю