1. Электроника — это область науки и техники, изучающая теорию ра­боты и практическое использование полупроводниковых и электроваку­умных приборов в различных электронных устройствах и системах.

Во всех электронных приборах осуществляется преобразование либо одного вида электрического тока в другой (постоянного — в переменный и наоборот), либо одного вида энергии в другую (например, электрической в световую и наоборот) за счет управления потоком заряженных частиц.

2. Классификация электронных приборов

Типы и функции электронных приборов весьма разнообразны. Клас­сификацию этих приборов можно производить по различным признакам. Основными из них являются принцип действия, вид преобразования энер­гии и назначение прибора.

По принципу действия электронные приборы делят на полупровод­никовые и электровакуумные.

Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников. В этих приборах электронные процессы происходят либо на границе двух полупроводников с разными типами электропроводности или на границе полупроводника с металлом, либо в объеме полупроводника. К ним относятся полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, фотодиоды, светодиоды и другие.

Электровакуумными называют приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока за счет движения электронов между электродами через вакуум или газ.

Для создания вакуума из баллона прибора откачивают воздух до дав­ления, не превышающего 10’⁶ гПа. При таком высоком вакууме в процессах участвуют только электроны. К таким приборам относятся электронные лампы, электроннолучевые трубки, фотоумножители и другие.

Электровакуумные приборы, действие которых основано на процессах при ионизации намеренно введенного инертного газа или паров ртути, на­зывают газоразрядными. При прохождении электрического тока через га­зоразрядный прибор в процессах участвуют как электроны, так и Положи­тельные ионы газа. К газоразрядным приборам относятся газотроны, не­оновые лампы, цифровые индикаторы тлеющего разряда, газоразрядные источники света и другие.

По виду преобразования энергии различают электропреобразовательные, фотоэлектронные и электронно-оптические приборы.

3. Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников. В этих приборах электронные процессы происходят либо на границе двух полупроводников с разными типами электропроводности или на границе полупроводника с металлом, либо в объеме полупроводника. К ним относятся полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, фотодиоды, светодиоды и другие.

4. Электровакуумными называют приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока за счет движения электронов между электродами через вакуум или газ.

Для создания вакуума из баллона прибора откачивают воздух до дав­ления, не превышающего 10’⁶ гПа. При таком высоком вакууме в процессах участвуют только электроны. К таким приборам относятся электронные лампы, электроннолучевые трубки, фотоумножители и другие.

Электровакуумные приборы, действие которых основано на процессах при ионизации намеренно введенного инертного газа или паров ртути, на­зывают газоразрядными. При прохождении электрического тока через га­зоразрядный прибор в процессах участвуют как электроны, так и Положи­тельные ионы газа. К газоразрядным приборам относятся газотроны, не­оновые лампы, цифровые индикаторы тлеющего разряда, газоразрядные источники света и другие.

По виду преобразования энергии различают электропреобразовательные, фотоэлектронные и электронно-оптические приборы.

5. Электропреобразовательные приборы преобразуют один вид элек­трической энергии в другой ее вид.

Например, они могут преобразовывать постоянный ток в переменный и наоборот, могут преобразовывать частоту и т. д. К электропреобразовательным приборам относятся как электронные, так и газоразрядные приборы, образующие три большие группы: электровакуумные выпрямительные приборы, приемно-усилительные лампы, генераторные и мощноусилительные лампы.

6. Усилительные приборы предназначены для увеличения мощности электрических колебаний различной частоты, а также постоянного тока. К ним относятся транзисторы, триоды, многоэлектродные лампы. Усили­тельные приборы могут выполнять функцию вырабатывания электрических колебаний разной частоты за счет потребления постоянного тока. В этом случае они являются генераторными приборами и преобразуют постоян­ный ток в переменный.

7. Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

8. Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

9. Примерами полупроводников являются кремний, германий, индий, арсенид галлия.

10. Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех, ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же, основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний — непрямозонный полупроводник, оптические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако его очень трудно заставить работать в качестве источника света, и здесь вне конкуренции прямозонные полупроводники — соединения типа AIIIBV, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются для создания светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).

В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества, встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро.

11. Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

12. Примесь в кристаллической решётке, которая отдаёт кристаллу электрон. Вводится при ковалентном типе связи. Бывают однозарядные и многозарядные доноры. Например, в кристаллах элементов IV группы периодической системы элементов (кремнии, германии) однозарядными донорами являются элементы V группы: фосфор, мышьяк, сурьма.

13. На практике применяют полупроводники с одним типом проводимости. В отличие от собственной, проводимость, возникшая в результате ввода в кристалл примеси, называется примесной.

Собственная проводимость – проводимость, обусловленная равным количеством электронов и дырок, появляющихся вследствие разрушения ковалентных связей.

Если ввести в кристаллическую решетку германия индий, бор или галлий, происходит захват электронов из атомов германия, что приводит к образования дырок. Такие примеси называют акцепторными (принимающие электроны), а материал с такой примесью – полупроводником типа р.

14. Электронно-дырочный переход – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности: одна – n-типа, другая - р-типа.

Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую – акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается р-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n-область). На границе двух областей возникает разность концентрации одноименных носителей заряда, что приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями.

15. Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носителей заряда, которое создается либо под действием электрического поля (дрейф), либо вследствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла (диффузия).

Под воздействием приложенного к кристаллу напряжения в нем возникает электрическое поле; движение носителей заряда увеличивается: электроны перемещаются по направлению к положительному электроду, дырки – к отрицательному.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрейфом, а вызванный этим движение ток – дрейфовым током. При этом характер может быть электронным, если он вызван движением электронов, или дырочным, если он создается направленным перемещение дырок.

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением – диффузионным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть двух видов.

16. Равновесное состояние перехода бывает только тогда, когда к нему не приложено внешнее напряжение. В этом случае перемещение электрических зарядов носит диффузионный характер.

17. При подаче на р-n переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности.

Внешнее напряжение, подключенное полюсом к р-области, а минусом к n-области, называют прямым напряжением. Напряжение почти полностью падает на р-n переходе, т.к. его сопротивление во много раз превышает сопротивление двух областей.

Полярность внешнего напряжения противоположна полярности контактной разности потенциалов поэтому электрическое поле, созданное на р-n переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на переходе.

Вследствие разности концентраций дырок в р- и n-областях, а электронов в n- и р-областях основные носители заряда диффундируют через переход, чему способствует снижение потенциального барьера. Через переход начинает проходить диффузионный ток.

При увеличении внешнего прямого напряжения потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. В результате этого через переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым, который с увеличением прямого напряжения растет.

Обратным напряжением называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к n-области, а минусом к р-области. При этом потенциальный барьер возрастает, что препятствует диффузии основных носителей заряда через переход. Под действием электрического поля расширяются слой, обедненный носителями заряда, и сам переход, причем его сопротивление возрастает. Поскольку количество неосновых носителей заряда очень мало (электрическое поле захватывает их и переносит через переход в область с противоположным типом электропроводности) и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток очень мал. Его называют обратным током, по характеру он – дрейфовый тепловой.

Прямой ток создается диффузией через переход основных носителей заряда. Ток растет медленно и остается мал. Это объясняется наличием потенциального барьера, который препятствует, несмотря на снижении, диффузии основных носителей заряда, а также большим сопротивлением области перехода обедненной носителями заряда. Если увеличивать напряжение, барьер исчезнет и прямой ток станет быстро нарастать.

Обратный ток создается дрейфом через переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

18. При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально. 

При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителей поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется. Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей.

19. Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода. Полупроводниковые диоды классифицируются: 1) по назначению: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ- и СВЧ- диоды), импульсные, полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные, варикапы и др.; 2) по конструктивно – технологическим особенностям: плоскостные и точечные;3) по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенидо - галлиевые и др

20. Для получения простейшего точечного диода берут пластинку металла с прикреплённым к ней выводом и к ней приваривают кристалл полупроводника электронного типа проводимости. Этот кристалл называют базой диода. Затем берут металлическую иглу с присоединённым к ней выводом, изготавливаемую, например, из вольфрама, золота, бериллиевой бронзы, на которую нанесён легирующий материал, и её острый кончик упирают в кристалл базы диода так, чтобы игла была подпружинена. В качестве легирующего материала часто используют алюминий и индий. Все части будущего диода помещены в корпус, который, например, может быть маленьким стеклянным баллоном, из которого откачан воздух. Далее осуществляют формовку, то есть местное нагревание участка между иглой и полупроводниковой пластиной для того, чтобы на небольшой площади их материалы друг в друга диффундировали. Для этого через диод в прямом и обратном направлениях пропускают короткие импульсы с силой тока около 1 А, что во много раз превышает максимальный постоянный ток изготавливаемого точечного диода. Материал акцепторной примеси, который находился на игле, и тот, из которого она состояла, диффундируют на небольшой почти полусферический участок в базу диода, образуя переход. Точечные диоды благодаря небольшой площади электронно-дырочного перехода обычно обладают малой ёмкостью, а, следовательно, могут работать на высокой частоте, не теряя свойства односторонней проводимости. Однако малая площадь перехода не позволяет пропускать через точечный диод большие прямые токи без разрушения компонента.

Для изготовления плоскостного диода берут базу диода электронного типа проводимости и кладут на неё полупроводниковую пластину, которая позже станет играть роль акцепторной примеси. Затем их нагревают примерно до 450 °C … 550 °C в вакууме, отчего материал акцепторной примеси диффундирует в базу будущего диода. Полученный электронно-дырочный переход будет обладать большой площадью и существенной ёмкостью. Благодаря тому, что площадь плоскостного диода велика, через него можно пропускать весьма большой ток в прямом включении, однако наибольшая частота, на которой такой диод может сохранять работоспособность, будет низкой.

21. Если p-область p-n-перехода соединить с положительным выводом какого-либо источника напряжения (например, батареи), а n-область - с отрицательным выводом, то электроны и дырки смогут диффундировать через переход. В результате из p-области в направлении n-области потечет существенный ток. В таком случае говорят, что переход смещен в прямом направлении. При обратном смещении, когда описанные выше подсоединения имеют противоположнуюполярность, от области n-типа к области p-типа потечет лишь предельно малый обратный ток.

22. I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций диодов может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительныйдиодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

I обр. – обратный ток диода. Обратный ток диода – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитываю

23. Общая емкость p-n-перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она складывается из барьерной, диффузионной емкостей и емкости корпуса кристалла:

С = С_бар + С_диф + С_корп

Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Эти объемные заряды неподвижны и не участвуют в процессе протекания тока. Они и создают электрическое поле перехода.Барьерная емкость определяется как

,

где S_пер – площадь перехода.

Барьерная емкость составляет десятки - сотни пикофарад.

Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного изменением прямого напряжения и инжекцией неосновных носителей в рассматриваемый слой. В результате в n-базе возникает объемный заряд дырок, который практически мгновенно (за несколько наносекунд) компенсируется зарядом собственных подошедших к дыркам электронов. Диффузионную емкость часто выражают как линейную функцию тока, учитывая экспоненциальный характер ВАХ. При этом

,

где - время жизни носителей для толстой базы или среднее время пролета для тонкой базы.

24. Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений 

Различают три вида пробоя p-n-перехода:

1. Туннельный пробой (А-Б),

2. Лавинный пробой (Б-В),

3. Тепловой пробой (за т.В).

Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.

Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.

Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода.

Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.

Напряжения и токи в p-n-переходах зависят от параметров перехода и его температуры.

25. Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко[1]. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов.

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения. Серийные стабилитроны изготавливаются на напряжения от 1,8 В до 400 В. Интегральные стабилитроны со скрытой структурой на напряжение около 7 В являются самыми точными и стабильными твердотельными источниками опорного напряжения: лучшие их образцы приближаются по совокупности показателей к нормальному элементу Вестона

26. При уменьшении входного напряжения, ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro тоже уменьшается, но напряжения на стабилитроне и на нагрузке остаются постоянными, исходя из вольтамперной характеристики. При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон и URo увеличивается, а напряжение на нагрузке так же остаётся постоянным и равно напряжению стабилизации. В общем, стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от Iст.min до Iст.max.

27. Стаби́стор (ранее нормистор) — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации[1], которое составляет примерно 0,7 В. Последовательное соединение двух или трёх стабисторов даёт возможность получить удвоенное или утроенное значение напряжения стабилизации. Некоторые типы стабисторов представляют собой единый набор с последовательным соединением отдельных элементов.

28. Туннельные диоды. Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы и пр.

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды находят широкое применение в качестве генераторов и высокочастотных переключателей, они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов, — до 30…100 ГГц.

29. Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.

Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 1200 В, на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

30. Диод Шоттки отличается от обычных более высоким быстродействием. При выпрямлении токов высокой частоты обычные диоды сильно греются и выходят из строя, в таких случаях применяют диоды Шоттки. Например, во вторичных цепях импульсных блоков питания.

Наибольшее преимущество перед диодами с pn -переходом диоды Шоттки имеют при выпрямлении больших токов высокой частоты, что обусловлено  их лучшими частотными свойствами, меньшим напряжением при прямом смещении, лучшим отводом тепла от выпрямляющего элемента, простотой изготовлением!

31. Варикап— полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения.

Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фаза вращателей и др.

Барьерная емкость варикапа зависит от приложенного к диоду обратного напряжения. С увеличением напряжения барьерная емкость варикапа уменьшается.

32. Импульсными называют диоды, предназначенные для пропускания в прямом включении очень коротких импульсов, длительностью менее микросекунды, с большой амплитудой тока. При столь коротких импульсах основное влияние на работу диода будут оказывать барьерная ёмкость и длительность обратного восстановления, обусловленная скоростью рекомбинации носителей заряда. Барьерная ёмкость некоторых импульсных диодов может быть ниже 1 пФ. Импульсные диоды, функционирующие на частоте примерно 1 ГГц, часто обладают точечной конструкцией.

Импульсные диоды отличаются от других диодов малой барьерной емкостью и малым временем восстановления обратного сопротивления.

33. На характеристике можно выделить две типичные ветви: прямую и обратную. Прямая ветвь соответствует проводящему состоянию диода при полярности прямого напряжения U_пр (рис. 1.2). Обратная ветвь показывает закрытое состояние диода при соответствующей полярности обратного напряжения U_обр . Прямая ветвь характеризуется малыми значениями прямого напряжения U_пр на диоде, а обратная – малыми значениями тока _обр , называемого обратным.