- •Основные законы электричества
- •Разность потенциалов
- •Напряжение на участке цепи
- •Закон Ома для участка цепи, не содержащего э.Д.С.
- •Закон Ома для участка цепи, содержащего э.Д.С.
- •Законы Кирхгофа
- •Действие электрического тока
- •Магнетизм и электромагнетизм
- •Электромагнитная индукция
- •Взаимоиндукция
- •Движение электронов в ускоряющем электрическом поле
- •Движение электронов в тормозящем электрическом поле
- •Движение электронов в поперечном электрическом поле
- •Движение электронов в магнитном поле
- •Лекция 2 Переменный ток
- •Резистор в цепи переменного тока
- •Катушка в цепи переменного тока
- •Конденсатор в цепи переменного тока
- •Закон Ома для электрической цепи переменного тока
- •Постоянная составляющая в сигнале переменного тока
- •Среднеквадратическое значение (действующее) переменного тока
- •Соотношение между пиковыми и среднеквадратическими значениями
- •Среднеквадратическое значение сложных сигналов
- •Лекция 3 Форма сигнала
- •Период (Цикл)
- •Частота
- •Скважность
- •Соотношение между частотой и периодом
- •Звуковые волны
- •Гармоники
- •Высота тона
- •Гармонические составляющие прямоугольного сигнала
- •Гармонические составляющие пилообразного сигнала
- •Лекция 4 Резисторы
- •Обозначения резисторов на электрических схемах
- •Резисторы переменного сопротивления
- •Терморезисторы
- •Варисторы
- •Конденсатор
- •Емкость конденсатора
- •Связь заряда, емкости и напряжения
- •Основные параметры конденсаторов
- •Электролитические конденсаторы
- •Конденсаторы построечные и переменной емкости
- •Условные обозначения конденсаторов
- •Основные параметры катушек индуктивности
- •Лекция 5 Физические основы полупроводниковой электроники
- •Электронные и дырочные полупроводники
- •Виды токов в полупроводниках
- •Электронно-дырочный переход и его свойства
- •Лекция 6 Полупроводниковые диоды
- •Конструкция полупроводниковых диодов
- •Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов
- •Выпрямительные диоды
- •Стабилитроны
- •Варикапы
- •Фотодиоды
- •Фоторезисторы
- •Светодиоды
- •Понятие о лазерах и лазерных диодах
- •Классификация и система обозначений диодов
- •Лекция 7 Биполярные транзисторы
- •Усилительные свойства биполярного транзистора
- •Схемы включения биполярных транзисторов
- •Статические характеристики транзисторов
- •Динамический режим работы транзистора
- •Ключевой режим работы транзистора
- •Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общей базой
- •Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером
- •Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим коллектором
- •Транзистор как активный четырехполюсник
- •Температурное свойство транзисторов
- •Частотное свойство транзисторов
- •Лекция 8 Полевые транзисторы
- •Характеристики и параметры полевых транзисторов
- •Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •Понятие о igbt
- •Тиристоры
- •Устройство и принцип действия динисторов
- •Тринисторы
- •Симисторы
- •Классификация и система обозначений тиристоров
- •Лекция 9 Оптрон (оптопара)
- •Фототранзистор и фототиристор
- •Усилители
- •Классификация усилителей
- •Коэффициент усиления
- •Входное сопротивление
- •Измерение входного сопротивления
- •Выходное сопротивление
- •Измерение выходного сопротивления
- •Выходная мощность
- •Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности
- •Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока
- •Характеристики электронных усилителей
- •Амплитудно-частотная характеристика (ачх)
- •Фазовая характеристика
- •Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным напряжением базы
- •Термостабилизация рабочей точки при помощи терморезистора и полупроводникового диода
- •Термостабилизация рабочей точки при помощи оос по постоянному напряжению
- •Термостабилизация рабочей точки при помощи оос по постоянному току
- •Усилители напряжения
- •Усилители мощности
- •Широкополосный усилитель
- •Усилители радиочастоты (урч)
- •Лекция 10 Обратная связь в усилителях
- •Структурная схема усилителя с обратной связью
- •Отрицательная обратная связь (оос)
- •Последовательное и параллельное включение обратной связи
- •Операционные усилители
- •Схемы включения операционных усилителей
- •Лекция 11 Генераторы гармонических колебаний
- •Кварцевые генераторы
- •Цифровая и импульсная электроника
- •Транзисторные ключи
- •Логические элементы
- •Интегральные микросхемы
- •Литература
Основные параметры катушек индуктивности
Индуктивность характеризует количество энергии, запасаемой катушкой, при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергия магнитного поля при заданном значении тока. Индуктивность зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от размеров, формы и материала ее сердечника.
Добротность - отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь. Добротность катушки в большинстве случаев определяет резонансные свойства и КПД контура.
Собственная емкость является паразитным параметром. Наличие собственной емкости катушки обусловливает увеличение потерь энергии и уменьшение, стабильности настройки колебательных контуров. В диапазонных контурах собственная емкость катушки уменьшает коэффициент перекрытия диапазона частот.
Стабильность индуктивности при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на I0 С.
Лекция 5 Физические основы полупроводниковой электроники
Твердые вещества по их способности проводить электрический ток делятся на три группы:
проводники (металлы);
диэлектрики (изоляторы);
полупроводники.
По способности проводить электрический ток и зависимости электропроводности от температуры полупроводники значительно ближе к диэлектрикам, чем к проводникам. Причины такого сходства диэлектриков и полупроводников кроются в построении их атомной структуры.
Атом состоит из центрального ядра, образованного из протонов и нейтронов. Вокруг ядра расположены орбиты электронов. Атом имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов и, следовательно, электрически нейтрален.
Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Электроны в атоме группируются в оболочки, находящиеся на некоторых расстояниях от ядра. Электроны внешней оболочки связаны с ядром значительно слабее электронов внутренних оболочек. Количество электронов, которое атом может отдать на общее благо, или наоборот, количество электронов, которое атом может принять от другого атома, называется валентностью данного вещества. Такие электроны называются валентными, и они обеспечивают соединение атомов в молекулы или кристаллы. Связь между атомами, обеспечиваемая общими электронами, называется ковалентной связью.
В проводниках электронные оболочки атомов сильно перекрываются и валентные электроны перестают быть жестко связанными с какими-либо определенными атомами. Такие электроны могут свободно перемещаться в объеме вещества, совершая при отсутствии внешнего электрического поля хаотическое тепловое движение.
При наличии внешнего электрического поля свободные электроны получают некоторое поступательное движение, которое называют их дрейфом. Дрейф отрицательно заряженных электронов образует электрический ток. Число свободных электронов в металлах достаточно велико и практически не зависит от температуры. Однако с повышением температуры увеличивается число столкновений электронов при их тепловом перемещении, и электропроводность металлов понижается.
В диэлектриках электроны внешней оболочки достаточно жестко связаны с ядром и не могут свободно перемещаться даже при повышении температуры. В связи с этим внешнее электрическое поле не приводит к появлению в диэлектриках заметного электрического тока. Однако при высокой напряженности электрического поля может произойти отрыв валентных электронов и их лавинное размножение, которое называется пробоем диэлектрика.
Химически чистые полупроводники при температуре абсолютного нуля ведут себя так же, как диэлектрики, и их электропроводность равна нулю. Однако с повышением температуры тепловые колебания атомов полупроводников приводят к увеличению энергии валентных электронов, которые могут оторваться от атомов и начать свободное перемещение. Поэтому при нормальной комнатной температуре полупроводники в отличие от диэлектриков имеют некоторую электропроводность. С повышением температуры растет число оторвавшихся электронов, поэтому электропроводность полупроводников повышается. Такую электропроводность полупроводников, связанную с нарушением валентных связей, называют их собственной проводимостью.
На электропроводность полупроводников большое влияние оказывают примеси. При наличии примесей происходит появление избыточных валентных электронов, которые легко освобождаются от атомов и превращаются в свободные заряды. Содержание примесей может быть весьма незначительным, однако повышение электропроводности при этом может быть весьма существенным. Так, например, для германия наличие всего 0,001% примесей приводит к увеличению электропроводности в 104 раз. Электропроводность полупроводников, обусловленную наличием примесей, называют его примесной проводимостью.
В соответствии с зонной теорией твердого тела электроны, могут иметь только определенные дискретные уровни энергии и, следовательно, могут занимать только дискретные орбиты, между которыми располагаются зоны запрещенных энергий. Это значит, что для атомов каждого вещества, кроме мест, соответствующих основному состоянию электрона, существуют еще места, соответствующие первому, второму и так далее возбужденным состояниям. При объединении атомов в кристалл эти места также образуют зоны. На рис. 5.1 изображена зонная диаграмма кристаллического твердого тела.
Рис.5.1. Зонная диаграмма
Как видно из рисунка, зонная диаграмма представляет собой чередование интервалов, заполненных свободными местами, с интервалами, где свободных мест нет. Эти последние интервалы (где нет свободных мест) называются запрещенными зонами. В пределах запрещенной зоны нет ни одного значения энергии, которое мог бы принимать электрон. В пределах разрешенной зоны количество свободных мест определяется количеством валентных электронов в атоме данного вещества.
Валентные электроны стремятся занять места с наименьшей энергией, т.е. самые нижние зоны, показанные на рис.5.1, или самые нижние орбиты. Поэтому при температуре абсолютного нуля какое-то количество зон (это количество определяется видом вещества) оказывается полностью занятым электронами. Самая верхняя из нижних зон (т.е. соответствующая большим значениям энергии), в которой все свободные места при температуре абсолютного нуля заняты электронами, называется валентной зоной. Над валентной зоной обычно расположена запрещенная зона, а над запрещенной - разрешенная свободная зона. При температуре абсолютного нуля все места в разрешенной зоне свободны (свободная зона).
Количество электронов, находящихся в свободной зоне, или, концентрация свободных электронов, зависит от температуры и ширины запрещенной зоны, разделяющей свободную и валентную зоны. Концентрация электронов в свободной зоне тем больше, чем выше температура и чем меньше ширина запрещенной зоны.
Шириной запрещенной зоны называется уровень энергии ΔW между двумя соседними разрешенными зонами.
Рис. 5.2. Зонная диаграмма полупроводника с собственной электропроводностью
На рис. 5.2 приведена энергетическая диаграмма полупроводника, в которой последняя разрешенная полностью занятая зона называется валентной, а первая разрешенная свободная зона называется зоной проводимости. Между этими двумя разрешенными зонами располагается запрещенная зона с шириной ΔW. Внутри разрешенных зон энергетические уровни располагаются так близко, что можно считать их практически непрерывными. При этом электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости, если он получит дополнительную энергию, превышающую ширину запрещенной зоны.
По значениям ширины запрещенной зоны все вещества также можно разделить на диэлектрики, полупроводники и проводники. Если ширина запрещенной зоны больше 3 эВ, то вещество относится к диэлектрикам. Если ширина запрещенной зоны меньше 3 эВ, то вещество считается полупроводником. У проводников валентная и свободные зоны настолько широкие, что они перекрываются и запрещенная зона между ними попросту отсутствует. Большинство металлов - проводники. Достаточно поместить проводник во внешнее электрическое поле, как по нему сразу начинает протекать электрический ток.
Среди различных полупроводников в электронной технике наиболее широкое применение нашли три вещества: германий, кремний и арсенид галлия. Наименьшее значение ширины запрещенной зоны имеет германий, а наибольшее значение — арсенид галлия. Кремний занимает промежуточное положение. Применение германия ограничено малой шириной запрещенной зоны, что приводит к большому току утечки при повышении температуры. Наиболее широкое распространение в полупроводниковой электронике получил кремний, который имеет умеренно широкую запрещенную зону и высокую температуру плавления. Самую широкую запрещенную зону имеет арсенид галлия. Он также имеет высокую подвижность носителей зарядов и высокую температуру плавления. Главным недостатком арсенида галлия является малое время жизни неосновных носителей зарядов.