Анализ простых электронных цепей. От электротехники к электронике. Схемы с диодами и транзисторами

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




        Ф.Э. ЛАППИ




                АНАЛИЗ ПРОСТЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ




            ОТ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ К ЭЛЕКТРОНИКЕ



        СХЕМЫ С ДИОДАМИ И ТРАНЗИСТОРАМИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия





НОВОСИБИРСК

2012

УДК 621.38.061(075.8) Л 245



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В.Ю. Нейман, канд. техн. наук, проф. С.М. Кузнецов




Работа подготовлена
на кафедре теоретических основ электротехники для студентов факультета механики и автоматизации



   Лаппи Ф.Э.
Л 245 Анализ простых электронных цепей. От электротехники к электронике. Схемы с диодами и транзисторами : учеб. пособие / Ф.Э. Лаппи. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012.-144 с.

         ISBN978-5-7782-1917-5

           Рассмотрены основные резистивные элементы электронных цепей: диоды, стабилитроны, биполярные и полевые транзисторы, а также простые электронные схемы на их основе. Анализ схем проводится с использованием методов расчета, которые изучались в курсе теоретических основ электротехники, и с применением схемотехнического моделирования.
           Предназначено для самостоятельной работы студентов факультета меха-троники и автоматизации, а также при начальном изучении курса электроники для всех прослушавших базовый курс электротехники в том или ином объеме для высшей школы (для подготовки к дальнейшему более глубокому изучению курса электроники).




УДК 621.38.061(075.8)





ISBN 978-5-7782-1917-5

                     © Лаппи Ф.Э., 2012
                     © Новосибирский государственный



технический университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ

   Назначение настоящего пособия - помочь студентам, освоившим электротехнику, перейти к расчету простых электронных устройств.
   Автор стремился показать, что умение решать задачу анализа электрической цепи, а именно рассчитывать токи и напряжения при заданных характеристиках активных и пассивных элементов цепи с помощью небольшого числа законов (закон Ома, законы Кирхгофа) и методов математического описания электрических цепей является базой для решения задач электроники.
   Большое внимание уделено вольт-амперным характеристикам диодов, биполярных, полевых транзисторов, знание свойств которых является совершенно обязательным для понимания работы любой электронной схемы.
   Во всех случаях автор стремился сочетать качественный анализ работы схем, с аналитическим на базе расчетных моделей, а также с использованием схемотехнического моделирования, позволяющего более глубоко понять суть происходящих явлений в электронных устройствах.
   В работе затронут небольшой круг аналоговых электронных цепей, ведущих непрерывную обработку сигнала.
   Автор надеется, что работа поможет сделать первые шаги от теоретического курса Электротехники в мир Электроники. Рекомендуется широко использовать схемотехническое моделирование схем. При этом следует помнить, что такой анализ - это не только помощь, но и сознательное понимание того, что происходит в схеме, а для этого требуются прочные знания основных законов и методов расчета, изучаемых в курсе электротехники.

Г л а в a 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДВУХПОЛЮСНЫЕ ПРИБОРЫ

   Полупроводниковые приборы - это устройства, работа которых обусловлена электрофизическими явлениями в полупроводниковых материалах.
   Важные свойства полупроводниковых материалов приведены в табл. 1.1

Таблица 1.1

 №                              Свойства                             
п/п                                                                  
 1  Твердая кристаллическая структура                                
    Величина удельного сопротивления полупроводников р = 10 4...     
2   1О10 Ом-см меньше, чем у диэлектриков (р = 1010...1015 Ом-см), но
    значительно больше, чем у металлов (р = 10 6...10 4 Ом - см )    
    Удельное сопротивление полупроводника в значительной степени     
    зависит:                                                         
3   - от электрического поля                                         
    - нагрева                                                        
    - облучения светом                                               
    - внесения примесей                                              
 4  Для изготовления полупроводниковых электротехнических приборов   
    используют германий Ge, кремний Si и арсенид галлия              
 5  Главное отличие полупроводников от металлов - в механизме элек-  
    тропроводности                                                   

4

1.1. СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКА И ПРОЦЕССЫ В НЕМ НА ПРИМЕРЕ ЧИСТОГО КРЕМНИЯ


    Кремний относится к IV группе периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева. Вокруг ядра атома кремния на разных орбитах вращаются 14 электронов. На внешней (незаполненной) орбите находятся 4 электрона, которые наиболее слабо связаны с ядром (рис. 1.1).

-Ядро
<S?)

Эг) Электрон (валентный)

Внешняя орбита


Рис. 1.1. Упрощенная структура атома кремния


   Атомы располагаются в узлах кристаллической решетки и связаны между собой с помощью валентных электронов Э1, Эг, Э₃, Э4. При такой связи, получившей название ковалентной, каждый валентный электрон принадлежит одновременно двум соседним атомам. Плоская картина для одного атома показана на рис. 1.2. Естественно, кристаллическая решетка имеет объемный характер, и при перемещении по внешней орбите валентный электрон последовательно создает ковалентную связь с тем соседним атомом, который в данный момент времени ближе. В момент времени t = t\ Эг создает ковалентную связь с правым атомом, а Э4 - с левым. В следующий момент времени на месте электрона Эг появится электрон Э1 правого ядра и т. д.
   Энергетические процессы, происходящие в полупроводнике, можно описать следующим образом.
   Каждый из четырех валентных электронов обладает энергией W, от величины которой зависит прочность его связи с собственным ядром. При температуре абсолютного нуля все валентные электроны находятся в валентной зоне (рис. 1.3) и целиком участвуют в межатомных связях. Зона проводимости свободна. Следовательно, отсутствуют заряды, которые могли бы создать электрический ток.


5

Электрон (валентный)

Рис. 1.2. Положение валентных электронов в момент вре
Зона проводимости

Запрещенная зона

Валентная зона

Рис. 1.3. Энергетические зоны в полупроводнике

   Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона шириной Д W.
   При повышении температуры часть валентных электронов разрывает ковалентную связь и переходит в зону проводимости, освобождая энергетические уровни в валентной зоне. Электроны, перешедшие в зону проводимости, способны под воздействием внешнего электрического поля создавать ток проводимости. Свободные места в валентной зоне, так называемые дырки, в электрическом и магнитном полях ведут себя как частица с положительным зарядом. Процесс перехода электрона в зону проводимости и образования при этом дырки называется генерацией.
   Возможен и обратный процесс, получивший название рекомбинации, при котором в валентную зону попадает электрон, занимающий при этом место дырки. Проводимость полупроводника тем выше, чем

6

интенсивнее процесс генерации. При этом полная плотность тока в полупроводнике равна сумме плотностей электронной Jₙ и дырочной Jр составляющих: J - Jₙ + Jр . Если в полупроводнике нет примесей, то такая проводимость получила название собственной проводимости. С ростом температуры собственная проводимость растет, но остается достаточно низкой.
   Чистые полупроводники используются довольно редко. Для увеличения числа носителей заряда, а значит, для увеличения проводимости полупроводника применяют легирование примесями. В частности, легирование германия и кремния мышьяком, имеющим пять валентных электронов.
   Атомы мышьяка встраиваются в решетку кремния или германия. Четыре из пяти электронов мышьяка образуют обычные ковалентные связи с возможностью участия в процессе генерации и рекомбинации. Пятый электрон оказывается лишним и начинает хаотическое движение (рис. 1.4). Важно то, что он может легко создавать плотность тока проводимости. В легированном полупроводнике существует и плотность тока, обусловленная наличием дырок.


Внешняя орбита

Pic. 1.4. Ковалентные связи при легировании кремния и германия мышьяком

   Очевидно, что наличие мышьяка привело к избыточному числу, электронов, которые стали основными носителями заряда, т. е. проводимость полупроводника увеличилась.


7

   Следует отметить, что даже при высокой степени легирования проводимость полупроводника ниже, чем у металла, и в отличие от проводимости металлов проводимость полупроводника растет с ростом температуры.
   Примесь (в данном случае мышьяк), способную отдавать электроны, называют донором.
   Если в качестве примеси использовать трехвалентный индий, то картина с носителями зарядов меняется. Все три валентных электрона будут участвовать в ковалентной связи, а в валентной зоне появятся избыточные дырки. Полупроводник в этом случае обладает дырочной электропроводностью p-типа (полупроводник p-типа), а примесь называют акцептором.


1.2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД (р-л-пер еход)


   Монолитный полупроводниковый кристалл (рис. 1.5), одна область которого является полупроводником р-типа, а другая п-типа, обладает уникальными свойствами.

р-область, избыток дырок -основных носителей

ф®®ф ффф®

избыток электронов -основных носителей

неосновной носителей - электрон

дырка - неосновной носителей

Ик: 1.5. Монолитный полупроводниковый кристалл, состоящий из материалов с проводимостями р - и п-типа

   Напомним, что две области находятся в одном кристалле. А так как в одной из них - избыток электронов, а в другой дырок, то начинается диффузия (рассеивание свободно движущихся электронов и дырок). Электроны из п-области пересекают границу и в p-области рекомбинируют с дырками. Около границы в p-области образуется тонкий слой, имеющий избыточный отрицательный заряд. В п-области происходит аналогичный процесс, но только с дырками. Уход дырок из приграничной p-области и электронов из приграничной п-области приводит к образованию в этих областях обедненного подвижными


8

зарядами слоя и появлению нескомпенсированного положительного заряда за счет ионов донорной примеси (в приграничной п-области) и отрицательного заряда за счет ионов акцепторной примеси (в приграничной p-области), рис. 1.6.


Д о
®Ф®0|® Q®® ©©ре © ©ее ® ©eel© ее® граница


Р16 1.6. Двойной электрический слой на границе р-п-перехода

    На границе образуется двойной слой, создающий электрическое поле, вектор напряженности которого Е₀ имеет такое направление, которое стремится ограничить дальнейший переход основных носителей из p-области в п-область и наоборот. Это же поле способствует переходу неосновных носителей через границу. Таким образом, на границе существует ток, вызванный движением основных носителей, получивший название тока диффузии /диф, и ток, определяемый движением неосновных носителей, называемый дрейфовым 1Др. Движение основных и неосновных зарядов идет постоянно, но так как ток диффузии и дрейфовый ток имеют разное направление, то полный ток через границу равен нулю. При этом появляется так называемая контактная разность потенциалов фк, претерпевающая наибольшее изменение на границе. Для германиевых р-п-переходов фк = 0,3...0,4В, а для кремниевых (рк = 0,6...0,8В (рис. 1.7).
    Создадим в кристалле внешнее электрическое поле, напряженность которого Е_. Для этого включим кристалл в замкнутую электрическую цепь (рис. 1.8). При указанном направлении действующей в схеме ЭДС Ет направления векторов напряженности Е_ и£ф противоположны, а следовательно, если Е_0 тормозит движение основных носителей, то Е_ действует наоборот.


9

Рис. 1.7. Контактная разность потенциалов на границе р-и-перехода

Е О

> Е

Рис. 1.8. Прямое включение р-и-перехода

   Очевидно, меняя величину ЭДС, мы будем менять величину напряженности внешнего электрического поля, а следовательно, будет меняться воздействие этого поля на основные и неосновные носители зарядов. В результате меняется величина полного тока через границу. Полупроводник начинает проводить ток.
   При указанной на рис. 1.8 полярности источника ЭДС он способствует движению через границу основных носителей, которых значи

10