Лекция по электротехнике "Элементная база электроники"

Элементная база электроники. Определение h­характеристик транзисторов В  основе  Современные  электронные  устройства,  как  правило,  строятся  на  основе полупроводниковых  действия полупроводниковых  приборов  лежат  электрические  свойства  электронно­ дырочного  перехода,  или  p­n­перехода,  образованного  на  границе  двух областей  полупроводников различного типа проводимости. элементов.  принципа  Зависимость  тока  через  электронно­дырочный  переход  от  приложенного (ВАХ) к  нему  напряжения  называют  вольт­амперной  характеристикой  перехода. Вследствие  резко  выраженной  нелинейности  ВАХ  р­n­переходы  широко используют  в  полупроводниковых  приборах,  имеющих  практически  два состояния — проводящее  и непроводящее. Полупроводниковым  диодом  называют  полупроводниковый  прибор  с одним  р­n­переходом  и  двумя  внешними  выводами  от  областей  с проводимостями  разного  типа  (анодом  А  и  катодом  К).  Он  хорошо пропускает ток одного направления и плохо – противоположного направления. На рис. 1 приведена вольт­амперная характеристика полупроводникового диода. Рис. 1. Вольт­амперная характеристика полупроводникового диода и  его условное обозначение Из  графика  следует,  что  при  положительном  смещении,  когда ток  через р­n­переход  диода  растет  с  ростом  напряжения,  переход  обладает  высокой проводимостью.  При  отрицательном  смещении,  когда  обратный  ток  быстро достигает  значения  тока  насыщения,  переход  обладает  очень  низкой проводимостью. По  своему  назначению  полупроводниковые  диоды  подразделяются  на следующие  основные  типы:  выпрямительные,  стабилитроны  (опорные  диоды), быстро  восстанавливающиеся  (частотные),  фото­  и  светодиоды,  варикапы. Кроме  указанных  типов  диодов  существуют  импульсные,  магнитодиоды, тензодиоды и др.  Чаще всего диоды изготовляют из германия  и кремния.  туннельные, К  основным  параметрам  полупроводниковых  диодов  относятся параметры  по  напряжению,  току,  сопротивлению  и  мощности  потерь, коммутационным явлениям, а также температурные и тепловые. Наиболее важными из них являются: ­ импульсное прямое напряжение UFM ; ­ пороговое напряжение U(TO) ; ­ предельный (средний прямой) ток IFAV ; ­ повторяющийся импульсный обратный ток IRRM ; ­ дифференциальное прямое сопротивление rT ; ­ время обратного восстановления trr ; ­ температура p­n­перехода Tj. Транзистором  называют  полупроводниковый  усилительный  прибор  с двумя  p­n­переходами  и  тремя  внешними  выводами.  В  настоящее  время существует  большая  номенклатура  транзисторов,  отличающихся  по  мощности, предельной частоте коммутации и генерации и по другим параметрам. Все  современные  транзисторы  подразделяются  на  два  типа:  биполярные и  полевые.  Биполярные  транзисторы  отличаются  от  полевых  большим уровнем  мощности и более высокой рабочей  частотой. В то же время полевые транзисторы  превосходят  биполярные  по  возможностям  автоматического регулирования  усиления  и  могут  работать  в  более  широком  динамическом диапазоне. Различают три схемы включения транзистора: ­ с общей базой (ОБ); ­ общим эмиттером (ОЭ); ­ общим коллектором (ОК). Схема  с  ОБ  не  усиливает  ток  IК  <  IЭ,  но  усиливает  напряжение.  Она обладает также и свойством усиления мощности входного сигнала                       Схема  с  ОЭ  обладает  свойством  значительного  усиления  тока. Поскольку  эта  схема  обладает  также  свойством  усиления  напряжения,  то усиление мощности в данной схеме значительно больше, чем в схеме с ОБ. Схема с ОК обладает лучшим усилением тока, чем схема с ОЭ, и, кроме того, свойством усиления мощности. Наибольшее применение получила схема с общим эмиттером. Характеристики  транзисторов  находятся  в  сильной  зависимости  от температуры.  При  повышении  температуры  в  базе  и  коллекторе,  резко возрастает  начальный  ток  коллектора.  Для  предотвращения  перегрева коллекторного  р­n­перехода  необходимо,  чтобы  его  мощность  не  превышала допустимого значения PKmax. Тиристором  в  общем  случае  называют  полупроводниковый  прибор  с двумя  устойчивыми  состояниями,  имеющий  три  p­n­перехода и  более,  который может  быть  переключен  из  непроводящего  состояния  в  проводящее  и наоборот По  двухэлектродные (динисторы)  и  трехэлектродные  (тринисторы)  тиристоры,  но  в  любом  случае они  имеют четырехслойную структуру полупроводника с тремя  p­n­переходами. количеству  различают  внешних  выводов  Интегральной  микросхемой  (ИМС)  называют  устройство  с  высокой плотностью  упаковки  электрически  связанных  элементов  (транзисторов, резисторов,  конденсаторов  и  пр.),  выполняющее заданную  функцию  обработки (преобразования)  электрических  сигналов.  С  точки  зрения  конструктивно ­ технологических  и  эксплуатационных  требований  ИМС  представляет  собой единое изделие. В  зависимости  от  технологии  изготовления  интегральные  микросхемы делятся  на  пленочные,  полупроводниковые  ИМС  и  микросборки.  Пленочные ИМС  могут  быть  тонко­  и  толстопленочными,  имеют  в  своем  составе  как элементы,  так  и  компоненты.  В  последнем  случае  их  называют  гибридными ИМС. Интегральная  микросхема,  в  которой  все  активные  и  пассивные элементы и их соединения выполняются в виде сочетания неразъемно связанных р­n­переходов  называется в  полупроводниковой полупроводниковом  кристалле,  одном  Поскольку  и  полупроводниковая,  и  пленочная  технологии  имеют  свои достоинства,  то  при  производстве  микросборок,  выполняющих  более сложные   функции,  чем  ИМС,  и  состоящих  из  сочетания  элементов, компонентов и  ИМС, используют сочетание обеих технологий. Количественную  оценку  параметров  ИМС  производят  с  использованием двух наиболее  важных показателей:  уровня  интеграции  и  плотности  упаковки. Десятичный  логарифм  от  уровня  интеграции  —  количества  N  входящих  в ИМС элементов, округленного до ближайшего большего целого числа,  т. е. К = lgN, называют степенью интеграции ИМС. ИМС первой  степени интеграции (К =  1)  имеют  до  10  элементов,  второй  —  до  100  (К  =  2)  и  т.  д.  Количество элементов  и  компонентов,  содержащихся  в   1  см3  объема  ИМС,  называют плотностью упаковки. Современные  полупроводниковые  ИМС  имеют  К  =  6,  а  плотность упаковки  может  достигать  105  эл./см3  и  более,  при  этом  размеры  отдельных элементов  не  превышают  1  мкм.  Площадь  полупроводникового  кристалла ИМС в зависимости от сложности составляет 0,3...0,6 мм2. По  своему  функциональному  назначению  ИМС  подразделяются  на цифровые и аналоговые. Цифровые  (логические)  ИМС,  принцип  работы  которых  базируется  на использовании  собой устройства  с  несколькими  входами  m  и  выходами  n,  реализующие определенную логическую функцию аппарата  математической  логики,  представляют  ­ входное сопротивление транзистора h11 = ΔUб/ΔIб|Uк = сonst; ­ коэффициент обратной связи h12 = ΔUб/ΔUк|Iб = сonst. Из семейства статических выходных характеристик определяют ­ коэффициент усиления по току h21 = ΔIк /ΔIб|Uк = сonst; ­ выходную проводимость транзистора h22 = ΔIк /ΔUк|Iб = сonst. Параметры транзисторов зависят от схемы включения транзистора.  yj = f(x1, x2, x3, …, xi , …, xm ), где  j  =  1,  2,  3,  …,  n;  xi  —  информационные  значения  входных  сигналов, равные  логической  единице  и  логическому  нулю;  yj  —  информационные значения  выходных  сигналов,  которые  в  зависимости  от  значений  х,  также могут принимать лишь значения логических единицы или нуля. Аналоговые  ИМС  которые обеспечивают  почти  пропорциональную  зависимость  между  входными  и выходными  сигналами.  Аналоговые  ИМС  разделяются  на  информационные  и силовые. представляют  устройства,  собой  Информационные  ИМС  осуществляют  функции  усиления,  генерации, сравнения,  модуляции,  присущие  информационной  электронике,  а  силовые —  функции  преобразования  параметров  потока  электрической  энергии, присущие силовой электронике. Аналоговые  ИМС  могут  использоваться  в  качестве  усилителей  тока, напряжения и мощности. Для  расчетов  цепей  с  биполярными  транзисторами  используют семейства  определяющих соотношения  между  токами,  протекающими  через  его  внешние  выводы,  и напряжения,  приложенные к этим выводам. характеристик  транзисторов,  статических  Наиболее  выражающая функциональную  зависимость  между  входными  напряжением  и  током  и выходным  напряжением. распространена  h­параметров,  система  Основные  h­параметры  транзистора  для  схемы  включения  с  общим эмиттером  характеристических треугольников, построенных на семействе входных и выходных характеристик. определить  помощью  можно  с  Из характеристического треугольника определяют Для  пересчета  h­параметров  транзистора  при  включении  его  по  данной схеме,  если  известны  его  h­параметры,  соответствующие  другой  схеме включения,  можно использовать следующие приближенные формулы. Литература Рекус  Г.Г.  Основы  электротехники  и  электроники  в  задачах  с Кацман  М.М.  Сборник  задач  по  электрическим  машинам:  учебное 1. решениями: учебное пособие / Г.Г.Рекус. – М.: Высшая школа, 2005. – 343с. 2. пособие / М.М.Кацман. – М.: Издательский центр «Академия», 2008.  – 160  с. 3. Решение задач: учебное пособие. – М.: ФОРУМ ИНФРА­М, 2009. – 272 с. 4. /  Ю.Г.Синдеев. – Ростов на Дону: Феникс, 2013. – 407 с. Синдеев Ю.Г. Электротехника с основами электроники: учебное пособие Лотерейчук  Е.А.  Расчет  электрических  и  магнитных  цепей  и  полей.