Основы слаботочной электроники Мультимедийное сопровождение лекций по слаботочной электроники

Выполнил: В.А.Митрофанов

2

Лекция №1

4

Сегодня в нашем мире существует огромное количество открытий в разных областях науки и техники, благодаря которым можно найти друг друга в любом уголке планеты, увидеть прошлое и приоткрыть завесу над будущим. Роботы и машины выполняют однообразную и тяжелую работу. То, что раньше было фантастикой, в 20-21 веках, стало обычным явлением. Автоматические производственные линии, мобильные телефоны, Интернет – стали неотъемлемой частью жизни. С ростом технического прогресса мир стал сложнее, но в то же время жить стало интереснее. Наша планета начинена электроникой, окутана кабельными проводами и заполнена электрическими сигналами и электромагнитными волнами. В мире, котором мы живем, все это стало возможным при помощи электроники. Люди создали антенны, передатчики и приемники только благодаря глубокому изучению колебаний и волн, исследованию распространения электромагнитных сигналов в пространстве. Электроника сделала возможным существование микропроцессорной техники, это компьютеры, планшеты, сотовые телефоны и еще масса полезного оборудования. Постепенно электронная техника проникла во все сферы жизни человека, без которой уже, не возможно представить себе не одного дня. Они производят сложнейшие вычисления, управляют производственными процессами и делают нашу жизнь более «удобной». В итоге можно смело сказать, без электроники немыслимы не только радиоприемники, магнитофоны и телевизоры, но и ЭВМ, ракеты, измерительные приборы, сверхзвуковые самолеты и т. д.

5

Лекция №2

7

Электроника — область науки, техники и производства, связанная с изучением физических свойств, методов исследования и практики применения устройств, основанных на взаимодействии электронов с электрическим и магнитным полями в вакууме или твердом теле.
Электронные приборы — это элементарные электронные устройства, выполняющие определенные функции (электровакуумные и твердотельные электронные приборы).
Электронное устройство — это изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы электроники.

8

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития электронных устройств.

I п о к о л е н и е электроники (1904 — 1950) характерно тем, что основу элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные приборы. В таких приборах рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной рабочей средой (парами или газами); действие таких приборов основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяют на электронные и ионные.

Электронный электровакуумный прибор — это прибор, в котором электрический ток создается только свободными электронами.

Ионный электровакуумный прибор — прибор с электрическим разрядом в газе или парах. Этот прибор называют также газоразрядным. Семейство электронных электровакуумных приборов обширно и объединяет такие группы, как электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные фотоэлектрические приборы и др.

Наиболее широко в элементной базе электронных устройств I поколения применялись электронные лампы — электровакуумные приборы, предназначенные для различного рода преобразований электрического тока. Электронные устройства, выполненные на лампах, имели сравнительно большие габаритные размеры и массу. Число элементов в единице объема (плотность монтажа) электронных устройств I поколения составляло γ= 0,001 ...0,003 эл/см³.

9

I I п о к о л е н и е электронных приборов (1950 — начато 1960-х гг.) характеризуется применением в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров). Сборка электронных устройств II поколения осуществлялась обычно автоматически с применением печатного монтажа, при котором полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагаются на печатной плате — диэлектрической пластине с металлизированными отверстиями (для подсоединения полупроводниковых приборов и пассивных элементов), соединенными между собой проводниками. Проводники выполнялись путем осаждения медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку, соответствующему определенной электронной схеме. Плотность монтажа электронных устройств II поколения за счет применения малогабаритных элементов составляла γ = 0,5 эл/см³.
Появление полупроводниковых приборов ознаменовало начало научно-технической революции, развитие которой все более ускоряющимися темпами продолжается и в настоящее время.

10

I I I п о к о л е н и е электронных устройств (1960 — 1980) связано с бурным развитием микроэлектроники — раздела электроники, охватывающего исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов и принципов их применения. Основой элементной базы этого поколения электронных устройств стали интегральные микросхемы и микросборки.
Интегральная микросхема, или интегральная схема (ИС), представляет собой совокупность нескольких взаимосвязанных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д.), изготовленных в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, на одной и той же несущей конструкции (подложке), и выполняющих определенную функцию преобразования информации.
Микросборка представляет собой ИС, в состав которой входят однотипные элементы (например, только диоды или только резисторы).
Широкое развитие находит блочная конструкция электронных устройств — набор печатных плат, на которые монтируют и микросборки. Плотность монтажа электронных устройств III поколения γ = 50 эл/см³.
Этот этап развития электронных устройств характеризуется не только резким уменьшением габаритных размеров, массы и энергопотребления, но и резким повышением их надежности, в том числе за счет сведения к минимуму ручного труда при изготовлении электронных устройств.

11

IV п о к о л е н и е (с 1980 г. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на базе применения больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем, когда уже отдельные функциональные блоки выполняются в одной интегральной схеме. Плотность монтажа электронных устройств IV поколения γ = 1000 эл/см³ и выше.
Основу БИС и СБИС составляют элементы, принцип действия которых основан на использовании свойств прохождения электрического тока через полупроводниковые материалы.

12

При изготовлении электронных приборов и устройств используют самые разнообразные материалы: проводники, диэлектрики, полупроводники.
Металлы широко используются в качестве соединительных проводников и элементов катушек индуктивности, органические и неорганические диэлектрики – в качестве изоляторов и составных частей конденсаторов, полупроводники – для изготовления диодов и транзисторов.

13

Все вещества состоят из одного или более химических элементов (железа, меди, кислорода, серы и т.д.).
Мельчайшими составными частицами вещества являются атом и молекула.
Атомы химически чистых элементов соединяются с образованием молекул вещества.
Атом состоит из более мелких частиц – электронов, вращающихся вокруг ядра, находящегося в центре атома и содержащего один или более протонов и нейтронов.
Отрицательно заряженные электроны притягиваются к ядру положительно заряженными протонами и непрерывно вращаются по орбитам, или оболочкам, вокруг него.

14

В соответствии с квантовой теорией энергия электрона, вращающегося по своей орбите вокруг ядра, не может принимать произвольных значений. Электрон может иметь только вполне определенные дискретные или квантованные значения энергии и дискретные значения орбитальной скорости.
Поэтому электрон может двигаться вокруг ядра только по определенным (разрешенным) орбитам.

15

В металлических веществах электроны, слабо связанные с ядром (свободные электроны), под действием электрического потенциала покидают свои орбиты и начинают упорядоченное движение, образуя поток электронов, или электрический ток. Такие вещества, имеющие хорошую электрическую проводимость, называются проводниками.

Диэлектрик (изолятор) – это материал, имеющий только связанные электроны, т.е. не имеющий свободных электронов.

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости (т.е. способности проводить электрический ток) 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.

При комнатной температуре удельное сопротивление, Ом • м,
проводников — 10-8... 10-5,
полупроводников — 10-6... 108
диэлектриков — 107... 1017.

16

Наиболее широкое распространение получили полупроводниковые элементы германий (Ge) и кремний (Si), расположенные в четвертой группе периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, а также некоторые соединения — арсенид галлия (GaAs), окись цинка (ZnO) и т.д.
Чистые проводники являются аморфными, но при определенных условиях при выращивании из расплавов могут образовывать монокристаллы с правильной структурой, называемой кристаллической решеткой.

17

18

Полупроводники имеют слабую собственную проводимость из-за небольшого количества свободных электронов.
Появление свободного электрона под действием температуры или света создает появление положительно заряженного атома с недостающим электроном, который называется дыркой.
Процесс образования электронов и дырок под действием тепла и света называется генерацией носителей зарядов.

19

20

Проводимость полупроводника можно повысить посредством введения определенного количества легирующих присадок (примесей).
Присадки (например атом мышьяка As) вносят в кристаллическую решетку атома германия дополнительные электроны, в результате чего получают полупроводник n – типа (negative).
Присадки (например атом алюминия Al) вносят в кристаллическую решетку атома германия недостаток электронов в его внешней оболочке, т.е. образование дырок, имеющих положительный заряд, в результате чего получают полупроводник p – типа (positive).

21

В результате добавления примеси появляется большое количество свободных электронов, и удельное сопротивление всего проводника уменьшается на порядки даже, приближается к сопротивлению проводника.

Поскольку основными носителями зарядов являются электроны, то полупроводник называется полупроводником n типа.

22

Зонная теория – это энергетическое состояние электрона, обладающего кинетической и потенциальной энергией.
Электроны в твердом веществе могут находиться только в валентной зоне (ВЗ) или зоне проводимости (ЗП), между которыми имеется запрещенная зона (ЗЗ). (см. слайд 21)
Для перевода электрона из ВЗ в ЗП требуется придать ему дополнительную энергию ΔЕ , называемую энергией активации и измеряемую в электрон-вольтах (эВ).

ΔЕGe = 0,72 эВ; ΔЕSi = 1,12 эВ

23

а – без напряжения; б – под напряжением; Е – энергия электрона; х – пространственная координата;

24

Если проводник p – типа соединить с полупроводником n – типа и поместить в высокотемпературный вакуумный реактор, то под действием диффузии образуется монолитный пограничный слой с разными типами полупроводников по обе стороны границы раздела, называемый p - n-переходом.

25

Пространственное распределение зарядов и соответственно энергетические диаграммы электронно-дырочных переходов при соединении полупроводников р- и n-типа без источника внешних ЭДС (а) и при прямом (б) и обратном (в) включениях напряжения (малые светлые кружки – электроны; темные – дырки; большие – обозначение потенциалов).

Лекция №3

27

Диод представляет собой небольшую емкость с откачанным воздухом, внутри которого на небольшом расстоянии друг от друга находится анод и второй электрод это катод, одна из которых обладает электропроводностью типа р, а другая - n.
Треугольная часть – это АНОД, а черточка это КАТОД. Анод это плюс, катод – минус. Диоды например, используют в блоках питания для выпрямления переменного тока, при помощи диодного моста можно превратить переменной ток в постоянный, применяются для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.

28

Диодный мост представляет собой 4 диода, которые подключаются последовательно, причем два диода из этих четырех включены встречно.

в некоторых схемах обозначают сокращенным вариантом

29

30

Диоды Шоттки имеют очень малое падение напряжения и обладают повышенным быстродействием по сравнению с обычными диодами.


Ставить вместо диода Шоттки обычный диод не рекомендуется, обычный диод может быстро выйти из строя. Обозначается на схемах такой диод вот так:

31

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р—n) переход (П), разделяющий р- и n-области кристалла полупроводника.

32

33

К р- и n-областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.
По конструктивному выполнению различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

34

Широкое применение диоды получили в источниках вторичного электропитания (выпрямителях). Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (а следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а вторая, с меньшей концентрацией, — базой.
Если эмиттером является p-область, для которой основными носителями заряда служат дырки, а базой — n-область(основные носители заряда — электроны), то выполняется условие pp » nn, где рр — дырки в p-области; nn — электроны в n-области.
Дырки в n-области, где они являются неосновными носителями зарядов, обозначают рn.

35

Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры число диффундируемых через р—n-переход основных носителей заряда из одной области должно равняться числу диффундируемых основных носителей заряда из другой области. С учетом того что концентрация электронов nn в базе значительно меньше концентрации дырок рр в эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет больше, чем со стороны эмиттера. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает напряженность Езар электрического поля, препятствующего дальнейшей встречной диффузии основных носителей зарядов.
Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряда недостаточна, чтобы преодолеть созданный потенциальный барьер.
Если к выводам диода приложить прямое напряжение, то создаваемая им напряженность Е электрического поля будет противоположна направлению напряженности Eзар объемного заряда. В область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее число дырок, являющихся не основными для n-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией nn в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что рр » nn.
Если к выводам диода приложить обратное напряжение -U, то создаваемая им напряженность - Е электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью Езар объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряженность электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда: nр — из р- в n-область и рn — из n- в p-область, которые и образуют обратный ток р—n-перехода. Число неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением, поэтому обратный ток, образованный за счет неосновных носителей, называют тепловым током Iобр.

36

I = I обр ( е Uд/φт - 1 ) ,
где Uд — напряжение на p—n-переходе;
φт = kT/q — температурный потенциал (при Т = 300 К, φт = 0,025 В).
Здесь к — постоянная Больцмана;
Т— абсолютная температура;
q — заряд электрона.

37

При определенном значении напряжения Uобр начинается лавинообразный процесс нарастания тока Iобр, соответствующий электрическому пробою р-n-перехода (отрезок АВ). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока р характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р—n-перехода наступает практически одновременно с начатом лавинообразного процесса нарастания тока Iобр. Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения Uобр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р—n-переход. Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения, К-1,
ТКН = AU/(UAT),
который показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 К при некотором значении прямого тока.

38

Лекция №4

40

Типы и структура биполярного транзистора.
Физические принципы работы транзистора.
Схемы включения, характеристики и параметры транзистора.
h-параметры биполярного транзистора.
Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором
(IGBT)

41

Типы и структура биполярного транзистора

Транзисторы – это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подобно электровакуумному триоду.
Различают биполярные транзисторы, называемые просто транзисторами, полевые транзисторы и фототранзисторы

42

43

Биполярный транзистор – это прибор, составленный из полупроводников с двумя р–n-переходами и тремя выводами: эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К). Плоскостной
Биполярный транзистор представляет собой пластинку германия (Gе), кремния (Si) или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводимостью:

n–р–n (рис. а) или р–n–р (рис. б).

В первом случае средняя область имеет дырочную проводимость и две крайние – электронную (рисунок а).
Во втором случае наоборот (рисунок б). Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область эмиттером, а другая –коллектором.

44

Полевым транзистором (ПТ) называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Этот прибор предназначен для усиления электрических колебаний. Полевые транзисторы называют еще униполярными, поскольку их принцип действия основан на использовании носителей заряда только одного знака.
Полевые транзисторы подразделяются на n-канальные и р-канальные. Они, в свою очередь, бывают: с управляющим p–n-переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы или МОП-транзисторы). Следует отметить, что эти транзисторы также делятся на транзисторы со встроенным и с индуцированным каналами.

45

Фоторезисторы – полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых изменяется под действием светового потока.
Основой фоторезистора является светочувствительный элемент – прямоугольная или круглая «таблетка», спрессованная из полупроводникового материала, или тонкая пленка на стеклянной подложке с электродами с малым переходным сопротивлением.
Принцип действия фоторезистора: при увеличении светового потока часть электронов проводимости сталкивается с атомами, ионизирует их и создает дополнительный поток электронов (возникает фототок проводимости).
При отсутствии тока через фоторезистор течет темновой ток: Iт = E/Rт+Rн, где Rт - темновое сопротивление фоторезистора.
При освещении фоторезистора через него протекает световой ток: Iс E/Rс+Rн

46

47

Рисунок 2 – Физические процессы в транзисторе p–n–р-типа (распределение потенциалов)

Рисунок 1 – Структура транзистора p–n–р-типа

48

49

Схема с общим эмиттером (ОЭ).
Общим выводом в ней является эмиттер: входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной сигнал снимается между коллектором и эмиттером.
Эта схема получила наиболее широкое распространение вследствие своей надежности и высокого коэффициента усиления.

50

В такой схеме включения входным током является ток базы iб.
Коэффициент передачи по току равен: β=ΔIк / ΔIб, где β= α /(1-α) и принимает значения β >> 1 (β = 10…200).
Так как iвых >> iвх (при достаточно большом сопротивлении Rк, амплитуда переменной составляющей напряжения Uвых значительно больше амплитуды напряжения Uвх), то схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения. Следует отметить, что входной ток такой схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем в схеме с общей базой.

51

Схема с общей базой (ОБ).
Базовый вывод транзистора в ней является общим выводом для входного и выходного сигналов.
Входной сигнал подают на эмиттер, а выходной – снимают с коллектора.

52

Входной ток в схеме ОБ является током эммитера iэ, а выходной
– током коллектора iк.
Коэффициент усиления (передачи) по переменному току (α =ΔIк /ΔIэ) представляет собой отношение приращений токов коллектора и эммитера и имеет величину меньше единицы. Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения Uвых значительно больше амплитуды напряжения Uвх.
Учитывая, что iвых = iвх, следует отметить, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток в такой схеме iвх= iэ достаточно большой, а входное сопротивление – малое.

53

Схема с общим коллектором (ОК).
В этой схеме общим выводом для входного и выходного сигналов является коллектор.
Входной сигнал подают на базу.
Такую схему называют также эмиттерным повторителем, т.к. в ней сигнал на выходе повторяет входной сигнал по напряжению.

54

Коэффициент передачи тока в этой схеме равен: Δiэ/Δiб=Iэ /Iб= Iэ/(Iэ –Iк)=1/(1 – α) = βэ+1, то есть его величина больше, чем в схеме с ОЭ: βк > βэ. В схеме с ОК коллектор является общим для входной и выходной цепей по переменному току.
Напряжение Uбэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения Uвх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения Uвых. В этой связи усилительные каскады с общим коллектором называют эмиттерными повторителями, в которых iвх << iвых. Таким образом, данная схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.
Она отличается повышенным входным сопротивлением.

55

Обычно используют два вида вольт - амперных характеристик: входные и выходные.
Для схемы с ОЭ входной характеристикой называют зависимость входного тока или тока базы iб от напряжения базы – эмиттер Uб-э.
Выходной характеристикой называют зависимость iк от Uк-э при фиксированных значениях iб = const.
Для схемы с ОБ, входной характеристикой является зависимость iэ= f(Uэ-б), а выходной – iк= f(Uк-б).
Для схемы с ОК выходной характеристикой является iэ= f(Uэ-к), а входной – iб= f(Uк-б ).

56

а – входная характеристика
б – выходная характеристика
в – передаточная характеристика

57

Лекция №5

59

Тиристор – полупроводниковый прибор с тремя или более взаимодействующими p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.
Тиристор, имеющий два вывода, называется диодным тиристором (динистором).
Тиристор, имеющий два основных вывода и один управляющий вывод, называется триодным тиристором (тринистором). Тиристор, имеющий симметричную относительно начала координат вольт-амперную характеристику, называется симметричным тиристором (симистором).

60

61

Тиристор имеет два устойчивых состояния:
1) закрытое, то есть состояние низкой проводимости,
2) открытое, то есть состояние высокой проводимости.
Другими словами он способен под действием сигнала переходить из закрытого состояния в открытое.
Тиристор имеет три вывода, кроме Анода и Катода еще и управляющий электрод - используется для перевода тиристора во включенное состояние. Современные импортные тиристоры выпускаются и в корпусах ТО-220 и ТО-92.

62

Тиристоры часто используются в схемах для регулировки мощностей, для плавного пуска двигателей или включения лампочек. Тиристоры позволяют управлять большими токами. У некоторых типов тиристоров максимальный прямой ток достигает 5000 А и более, а значение напряжений в закрытом состоянии до 5 кВ. Мощные силовые тиристоры вида Т143(500-16) применяются в шкафах управления эл.двигателями, частотниках.

63

64

Диодный тиристор имеет три p–n-перехода, причем два из них (П1 и П3) работают в прямом направлении, а средний (П2) – в обратном направлении. Крайнюю область р-типа называют анодом, а крайнюю область n-типа – катодом. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух транзисторов: Т1 (n–p–n-типа) и Т2 (p–n–p-типа), соединенных между собой. Таким образом, получается, что переходы П1 и П3 являются эммитерными переходами этих транзисторов, а переход П2 в обоих транзисторах работает как коллекторный переход. Область базы Б1 транзистора Т1 одновременно является коллекторной областью К2 транзистора Т2, а база Б2 транзистора Т2 одновременно служит коллекторной областью К1 транзистора Т1. Соответственно этому коллекторный ток ik1= iб2, а коллекторный ток ik2=iб1.

65

66

При увеличении напряжения Uпр, ток невелик и его величина растет медленно, что соответствует участку 0А. В этом режиме тиристор можно считать закрытым. На сопротивление коллекторного перехода П2 влияют два взаимно противоположных процесса.
С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, поскольку основные носители уходят в разные стороны от границы.
Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эммитерных переходах П1 и П3 усиливает инжекцию носителей заряда, которые переходят к переходу П2, обогащают его и уменьшают его сопротивление. До точки А влияние обоих процессов уравновешивается, а затем даже малое повышение подводимого напряжения создает преобладание второго процесса и сопротивление перехода П2 начинает уменьшаться. В этом случае возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Объясняется это следующим образом. Поскольку увеличивающееся напряжение на переходах П1 и П3 уменьшает сопротивление на переходе П2 и напряжение на нем, то ток резко возрастает (участок АБ), за счет чего еще больше возрастают напряжения на П1 и П2. Это, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию тока, уменьшению сопротивления П2 и т. д. В результате такого процесса устанавливается режим, напоминающий режим насыщения транзистора, а именно: большой ток при малом напряжении (участок БВ).
Ток в этом режиме, когда тиристор открыт, определяется, главным образом, сопротивлением нагрузки Rн, включенным последовательно с тиристором.

67

Динистор

Динистор представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости p1-n1-p2-n2. На границах раздела этих областей возникнут p-n-переходы: крайние переходы ( П1 и П3 ) называются эмиттерными, а области, примыкающие к ним, – эмиттерами; средний p-n-переход (П2) называется коллекторным. Внутренние n1- и p2-области структуры называется базами. Область p1, в которую попадает ток из внешней сети, называется анодом (А), область n2 – катодом (К).

68

1. Imax – максимальное значение прямого тока (точка В), при котором на приборе будет небольшое напряжение Uоткр
2. Iуд – ток удерживания (точка Б), который возникает при резком уменьшении прямого тока. При этом напряжение резко возрастает, т. е. тиристор переходит «скачком» обратно в закрытое состояние, соответствующее участку ОА.
3. tвкл. и tвыкл. – время выключения и время включения тиристора.
4. Собщ. – общая емкость, которая складывается из емкостей всех p–n-переходов.
5. Uобр.max- обратное максимальное напряжение.

69

Если от одной из базовых областей динистора сделать вывод, то получится управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение напряжения включения Uвкл. Чем больший ток течет через такой управляющий переход Iy, тем ниже напряжение Uвкл.

70

71

Такой тиристор называют тиристором с управлением по катоду, поскольку управляющим электродом является базовая область, ближайшая к катоду n.
Параметры у тиристоров такие же, как и у динисторов. К этим параметрам лишь добавляются величины, характеризующие управляющую цепь Iy, Uy.

72

Симистор используется в системах, питающихся переменным напряжением, его можно представить как два тиристора, которые включены встречно-параллельно. Симистор пропускает ток в обоих направлениях.

73

Симметричные тиристоры или симисторы имеют структуру n-p-n-p-n или p-n-p-n-p. Они отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в обоих направлениях.

74

Лекция №

76

Интегральную микросхему или сборку можно получить либо в пластине твердого материала, либо на ее поверхности.
По конструктивному исполнению ИС делятся на полупроводниковые и гибридные.

77

В теле полупроводникового материала создают слои резисторов, структуры транзисторов, диодов и конденсаторов, выполняющие заданные электронные функции. Такие ИС называются полупроводниковыми.
а — электрическая схема; б —профиль структуры; 1 — выводы диода; 2 — резистора; 3, 4 — транзистора; 5 — конденсатора

78

Гибридная ИС

Все элементы ИС (кроме активных) наносят на диэлектрическую пластину (подложку) в виде поликристаллических или аморфных слоев (пленок), выполняющих заданные функции пассивных элементов. Полученную ИС при необходимости помещают в корпус с внешними выводами. Активные элементы (диоды и транзисторы) навешивают на пленочную схему, в результате чего получают смешанную (пленочно-дискретную) ИС, которую называют гибридной.
а — электрическая схема; б — профиль структуры; 1 — нижняя обкладка конденсатора; 2 — верхняя обкладка конденсатора; 3 — слой диэлектрика ; 4 — соединительная шина ; 5 — транзисторсконтактами ; 6 — резистор с контактами ; 7 — контактная площадка; 8 — диэлектрическая подложка

79

80

В настоящее время различают два класса полупроводниковых ИС: биполярные и МДП.

Основной элемент биполярных ИС —n—p—n-транзистор, а МДП ИС — МДП-транзистор с индуцированным каналом. Все остальные элементы схемы (диоды, резисторы и конденсаторы) изготовляют на базе основного элемента и одновременно с ним.
Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т.е. числом элементов (чаще всего транзисторов), входящих в состав интегральной схемы. При количественной оценке степени интеграции используют условный коэффициент
К = lgN,
где N — число элементов, входящих в ИС.
Если К≤ 1 (т.е. N ≤ 10), то схему называют простой ИС;
при 1< К≤2 — средней ИС; при 2 < К ≤ 3 — большой ИС;
при К > 3 (т.е. N > 1000) - сверхбольшой ИС.

81

82

83

84

Типовые схемотехнические решения усилительных каскадов в аналоговых ИМС

85

а - усилитель напряжения;
б,в - повторители соответственно напряжения и тока;
г - каскодная схема;
д - схема Дарлингтона;
е - дифференциальный усилитель;

86

Схема а,б,в, относятся к элементным каскадам и их характеристики такие же, как и у каскадов на транзисторах
Схема г, представляет собой составной транзистор, т.е. состоит из двух последовательно соединенных транзисторов. Этот каскад имеет коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления каждого из транзисторов:
β = β1∙β2
Схема Дарлингтона (д) также представляет собой составной транзистор, ток коллектора которого равен сумме токов коллекторов отдельных транзисторов:
Iк = Iк1+Iк2=β1Iб1+β2Iб2 учитывая, что Iб2=Iэ1=(β1+1)Iб1, получим: β=β1+β2+β1∙β2≈β1∙β2
Схема е, дифференциальный усилитель используемый в схемах операционных усилителей, имеет два входа и два выхода. Сигнал на входы может подаваться тремя способами:
противофазным, когда Uвх1=-Uвх2 или разные сравниваемые сигналы с разными знаками;
синфазным, когда Uвх1=Uвх2 или разные сигналы;
несимметричным однофазным, когда на второй вход подают нулевое напряжение;

Лекция №7

88

Оптоэлектроника – раздел науки и техники, в котором изучаются вопросы генерации, обработки, запоминания и хранения информации на основе совместного использования оптических и электрических явлений.

В современной технике находят широкое применение оптоэлектронные полупроводниковые приборы.

Оптоэлектронный полупроводниковый прибор – это полупроводниковый прибор, излучающий или преобразующий электромагнитное излучение, чувствительный к этому излучению в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях спектра или использующий подобное излучение для внутреннего взаимодействия его элементов.

89

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава внешнего излучения.

90

91

При отсутствии внешнего светового потока (Ф = 0) сопротивление фоторезистора велико и определяется собственной проводимостью полупроводникового материала. Ток, обусловленный собственной проводимостью, называется темновым (Iт). Под действием светового потока сопротивление фоторезистора уменьшается. В этом случае ток называется световым (Iсв). Разность между световым и темновым токами составляет фототок (Iф).
Зависимость тока Iф в цепи фоторезистора от освещенности Е, характеризуемой мощностью светового потока Р, называется люксамперной характеристикой (ЛАХ). При очень слабой освещенности (мощностью от 1 до 50 нВт) ЛАХ нелинейна:
Iф = а1∙Р1/2 + Iт,
где а1 - коэффициент пропорциональности;
При освещенности мощностью от 0,05 до 1000 мВт участок ЛАХ будет линейным:
Iф = а1∙Р + Iт

Значения мощности Р > Рмах определяют нелинейный участок ЛАХ.

92

Спектральные характеристики фоторезисторов

Спектральная характеристика Sф=f(λ), где λ – длина волны электромагнитного излучения.
Эта характеристика обусловлена материалом и технологией изготовления фотослоя.

93

Фотодиод представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический прибор, содержащий p-n-переход, и использующий явление внутреннего фотоэффекта. Фотодиоды имеют различную конструкцию, различное назначение и различные параметры.

94

При Ф=0 вольтамперная характеристика фотодиода превращается в вольт-амперную характеристику обычного p-n-перехода, достаточно подробно изученную ранее. При наличии освещения ток нагрузки, как видно из рисунка, потечёт по внешней цепи от области p к области n, а внутри кристалла – от области n к области p, т. е. в направлении, которое для обыкновенного диода является обратным и откладывается вниз от нуля по оси ординат; напряжение на фотодиоде – (+) на области p, (–) на области n является прямым для обыкновенного диода и поэтому откладывается вправо от нуля на оси абсцисс. Фактически вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой вольт-амперную характеристику обычного p-n-перехода, смещённую вниз и вправо в зависимости от светового потока Ф.
Точки пересечения характеристики с осями координат представляют собой напряжение холостого хода Uхх (или фотоЭДС) на оси абсцисс и ток короткого замыкания Iкз на оси ординат.
Участок характеристики за точкой Uхх представляет собой режим, когда фотодиод работает с внешним источником ЭДС, включенным встречно по отношению к фотодиоду.
Участок за точкой Iкз характеризует работу фотодиода с внешним источником ЭДС, включенным согласно по отношению к фотодиоду.

95

В данном случае фотодиод работает с внешним источником U, который по отношению к затенённому фотодиоду включен в обратном, запирающем направлении, и следовательно, при отсутствии освещения ток в цепи практически отсутствует. При освещении фотодиода появляется фотоЭДС Eф, которая по отношению к источнику Е включена последовательно и согласно и в цепи нагрузки появляется ток, пропорциональный световому потоку Ф.
Этот режим иллюстрируется отрезками вольтамперной характеристики фотодиода в третьем квадранте.

96

Особую группу фотодиодов, отличающихся очень малой инерционностью и высокой чувствительностью, составляют p-i-n-фотодиоды (пин-фотодиоды)
и лавинные.

97

98

В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р+ (база) и n+ (коллектор) расположен слой i (слой поглощения фотонов) собственной проводимости полупроводника (i – intrinsic). Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около l /4) с показателем преломления
n = √nпп,
согласующим разные среды – стекловолокно (nОВ »1,46) и полупроводник (nПП » 3,5). В базе и коллекторе повышена концентрация носителей зарядов. В слое поглощения может создаваться некоторый примесный фон.

99

100

101

В лавинном фотодиоде достигается усиление первичного фототока за счет управляемого лавинного умножения числа носителей заряда. Этому способствует конструкция ЛФД. Лавинное умножение возникает в слое умножения.
Лавинное умножение достигается за счет увеличения напряжения Есм до величины, близкой к пробойному.
При этом на p - n переходе устанавливается очень сильное электрическое поле (Е > 105 В/см).
Эта напряженность достигается в узкой области. Высокое быстродействие прибора будет достигнуто, если основная часть фотонов поглощается в слое, где существует сильное электрическое поле.
Фотоны пролетают слой умножения и не успевают взаимодействовать с кристаллами.
Носители зарядов образуются в слое поглощения и дрейфуют к соответствующим потенциалам. Двигаясь в сильном поле, носители приобретают большую кинетическую энергию и, отдавая часть ее другим носителям, освобождают новые носители (электроны и дырки).

102

103

Фототранзистор по структуре аналогичен структуре биполярного транзистора (рис.а). Он обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод. Световой поток действует перпендикулярно плоскости эмиттерного ^-«-перехода, генерируя в базе пары носителей заряда. Неосновные для базы носители заряда притягиваются коллекторным переходом, увеличивая коллекторный ток. Однако этот ток является только частью тока коллектора, так как уход из базы неосновных носителей создает в ней нескомпенсированный объемный заряд основных носителей. Этот заряд снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода. В результате происходит увеличение числа носителей заряда, инжектируемых эмиттером в область базы, а следовательно, и увеличение коллекторного тока. Таким образом, в фототранзисторе происходит усиление фототока, что и объясняет большую чувствительность его по сравнению с фотодиодом.

104

105

Из рассмотренного принципа работы фототранзистора следует, что вывод базы является необязательным (рис.б). Вольтамперные характеристики фототранзистора, используемого без вывода базы, аналогичны характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Отличие состоит в том, что управляющим параметром является не ток базы, а световой поток Ф (рис.в).

106

Вместо управляющего электрода сигнал управления в виде потока лучистой энергии подаётся в специальное окно в корпусе прибора, что приводит к тем же явлениям, как если бы был подан электрический сигнал управления на управляющий электрод. Все остальные характеристики такого тиристора аналогичны характеристикам обычного тиристора с электрическим управлением.

107

Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Сопротивление фототиристора изменяется от 108 Ом (в запертом состоянии) до 10-1 Ом в открытом состоянии. Время переключения тиристоров лежит в пределах 10-5 … 10-6 с.

108

Оптрон – это (оптопары) устройство, объединяющее в одном корпусе светодиод и приёмник фотоизлучения, например фотодиод.
В оптоэлектронных устройствах практически полностью устранена гальваническая связь между входными и выходными цепями и практически полностью устранена обратная связь между входом и выходом. Комбинируя элементы, входящие в оптоэлектронные устройства, можно получать самые различные их функциональные свойства.

109

Входной усиливаемый сигнал Uвх поступает на светодиод и вызывает его свечение, которое по световому каналу поступает на фотодиод. Фотодиод открывается и в его цепи протекает ток под действием внешнего источника Е. Эффективную оптическую связь между элементами оптрона осуществляют с помощью средств волоконной оптики – световодов, выполненных в виде жгута из тонких прозрачных нитей, по которым сигнал передаётся за счёт полного внутреннего отражения с минимальными потерями и с высокой разрешающей способностью. Вместо фотодиода в составе оптрона может быть фототранзистор, фототиристор, фоторезистор.

110

111

а - реализуемая с помощью дифференциального оптрона;
б - двухступенчатого транзисторного усилителя с оптоэлектронно связью;
в - двух блоков через диодную оптопару;

112

а – реализация связи гальванически независимых логических элементов с помощью оптоэлектронного переключателя;
б – согласование элементов технологическими типами логических элементов (ТТЛ) и МДП с помощью транзисторной оптопары;
в – подключение датчика к измерительному блоку через развязывающий оптрон или оптопару;

113

114

Современная связь развивается в направлении использования оптоволоконных линий передачи информации.
В качестве передающих устройств в этом случае используют полупроводниковый лазер или светодиод, а в качестве приемника – фотодиод.

115

Первоначально операционные усилители применяли в аналоговой вычислительной технике для выполнения различных математических операций (суммирования, умножения, интегрирования и т.д.).
Сейчас выпускается широкая номенклатура ОУ, предназначенных для усиления сигналов различных фотоприборов, включая фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.

116

Схемы подключения фотодиодов и фототранзисторов к инвертирующемим (а,б) и дифференциальным (в,г) ОУ

117

Входной ток очень мал (единицы пикоампер), особенно если его входные ступени выполнены на полевых транзисторах.
Выходное сопротивление составляет доли Ома.
Так как входы ОУ тока практически не потребляют, то в общем случае коэффициент усиления инвертирующего усилителя (рис.а)
K = Uвых / Uвх = -(R2 / R1 )
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
K = 1 + (R2 / R1 )

118

Светодиод, или светоизлучающий диод (СИД) – это полупроводниковый диод на основе p-n- или гетероперехода, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока.

119

Принцип действия светодиодов основан на использовании явления излучательной рекомбинации. Когда через p-n-переход протекает прямой ток, то при этом происходит рекомбинация носителей, т. е. заполнение свободного энергетического уровня в валентной зоне электроном, находящимся в зоне проводимости, что, естественно, сопровождается выделением энергии. Чаще всего эта энергия выделяется в виде тепла, но можно подобрать такие полупроводниковые материалы, в которых явление рекомбинации будет сопровождаться излучением квантов лучистой энергии. Обычно это наблюдается в полупроводниках, представляющих собой двойные и тройные соединения.

Лекция №8