Основы электроники


А.М. Водовозов







                ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ




        Учебное пособие

2-е издание













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК 32.85
ББК621.30
     В62









     Водовозов, А. М.
В62 Основы электроники : учебное пособие / А. М. Водовозов. - 2-е изд. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 140 с.
       ISBN 978-5-9729-0346-7


      Рассмотрены принципы работы и теория полупроводниковых приборов. Представлен анализ классических электронных схем на полупроводниковых диодах, транзисторах и операционных усилителях. Приведены упражнения для самостоятельной работы.
      Предназначено для студентов технических вузов, может быть использовано также студентами средних профессиональных учебных заведений при изучении современной электроники и инженерно-техническими работниками, занимающимися проектированием электронных схем.
УДК32.85
ББК 621.30













ISBN 978-5-9729-0346-7

©А. М. Водовозов, 2019
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

        ВВЕДЕНИЕ

        Электроника - одна из самых современных наук. Её достижения трудно не заметить. Электропривод и автоматика промышленных установок, как и все другие направления развития техники и технологий, немыслимы сегодня без электроники.
        В классическом понимании электроника считается наукой, использующей свойства направленного движения электронов в различных средах. Полупроводниковые материалы оказались той благодатной средой, где движение электронов оставляет наиболее заметный след. По этой причине современная электроника практически вся полупроводниковая. Полупроводниковые приборы, их характеристики, взаимодействие, математические модели, правила соединения, условия работы и схемотехника - вот диапазон вопросов, которые рассматривает электроника.
        Из-за широты и многозначности понятия "электроника" возникают сложности с выбором учебников по курсу. Рекомендовать какой либо один из них становится всё труднее. Стремительное развитие электроники как науки и её интенсивное проникновение в различные области техники привело к увеличению объема и сложности рассматриваемых вопросов. Попытки совместить все разделы науки в одном курсе зачастую не приводят к желаемому результату. За физическими и математическими разделами учебников нередко теряется практическая ценность науки и информация, необходимая будущему инженеру. Такая информация сейчас в наибольшей степени концентрируется в области схемотехники - раздела, содержащего основные правила и приемы проектирования электронных схем. С точки зрения схемотехники полупроводниковые приборы являются обычными электрическими элементами с априорно известными нелинейными характеристиками и целым букетом специфических свойств. Схемотехника не имеет своих собственных законов, она полностью основывается на общих законах электротехники, но практически безграничный диапазон схем на полупроводниках делает этот раздел электроники неисчерпаемым, а процесс проектирования электронных устройств некоторые авторы даже относят к области искусства.
        С этих позиций составлено учебное пособие. Оно не претендует на роль классического учебника, часть разделов курса в нем преднамеренно рассмотрено с самых упрощенных позиций. В пособии основное внимание

3

  уделяется элементарным электронным схемам, простейшим узлам сложных устройств на полупроводниковых диодах, транзисторах и операционных усилителях; разбираются правила и приемы построения электронных схем различного назначения, даются основные формулировки и определения и минимальное количество расчетных формул. Задачи и упражнения по отдельным разделам пособия предназначены для самостоятельной работы студентов в процессе изучения материала.

        ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ


     1.1. диоды


       Устройство и характеристики
       Диод - двухслойный полупроводниковый прибор с двумя электродами (рис.1.1). Вывод от слоя полупроводника с дырочной проводимостью (p-слоя) называется анодом, вывод от слоя с электронной проводимостью (n-слоя) - катодом.


Рис.1.1. Структура и условное обозначение полупроводникового диода
      Тонкий приконтактный слой на границе раздела полупроводников носит название р-п-перехода. Различные физические процессы, развивающиеся при взаимодействии слоев с различными примесями, обеспечивают р-п-переход целый рядом полезных и интересных свойств. В частности, в области р-п-перехода можно выделить два слоя (рис. 1.1) неподвижных носителей заряда. Их появление объясняется интенсивной рекомбинацией на границе свободных электронов полупроводника типа n с дырками полупроводника типа р. В свою очередь, наличие неподвижных зарядов является причиной существования внутреннего электрического поля, препятствующего диффузии заряженных частиц через границу. Электропроводность перехода несимметрична, величина ее зависит от знака приложенного напряжения. Размеры перехода также

анод
           катод

4

зависят от знака и величины приложенного напряжения. В общем случае электрические характеристики перехода трудно предсказуемы, на них сильное влияние оказывает концентрация примеси, температура, световые, магнитные и электрические поля, окружающие прибор.
       Параметры и режим работы диода определяются его вольтам-перной характеристикой, иллюстрирующей зависимость протекающего через диод тока I от приложенного напряжения U . Типовая вольтам-перная характеристика прибора показана на рис. 1.2.


/У/с.7.2. Вольтамперная характеристика диода

      Приложенное к диоду напряжение может быть разной полярности. Положительным принято считать напряжение между электродами, приложенное плюсом к аноду прибора, минусом - к катоду.
      При положительном напряжении через диод протекает прямой ток, резко возрастающий при увеличении напряжения. При отрицательном напряжении диод считается запертым, через него протекает незначительный обратный ток, на несколько порядков меньший тока прямого.
      Характеристика прибора довольно точно описывается экспоненциальной зависимостью
U
I = Io{e^T -1},                   (1.1)

      где:    Iₒ - обратный ток р-п-перехода,
<РТ - термический потенциал электрона,

5

      Термический потенциал электрона, в свою очередь, определяется выражением
               ФТ = кТ / q,
                        ,Л-23
      где:     к = 1,38 ■ 10 (Дж/К)-постояннаяБольцмана,
               Т (К) - абсолютная температура в градусах Кельвина,
               _ -1 -1-19,
               q = 1,6 ■ 10 (кулон) - заряд электрона.
      При комнатнойтемпературе (Т = 300К)

Фт =

1,38 ■ 10~²³ ■ 296
    1,6 ■ 10 ’¹⁹


= 25,5 mB.

      При U >> фт уравнение (1.1) без потери точности можно упростить и представить в виде
U
I = 1оефт .                       (1.2)
      При всей строгости последних формул практические расчеты по ним вести невозможно из-за высокой степени неопределенности величины обратного тока Iₒ и сильной зависимости параметров Iₒ и фТ от температуры. Однако по формуле (1.2) можно рассчитать, что прямое падение напряжения на диоде изменяется на очень незначительную величину фт ■ ln10 = 60 мВ при возрастании прямого тока через диод в 10 раз. Поскольку термический потенциал электрона фТ зависит от температуры, то при постоянном токе через диод падение напряжения на нем также зависит от температуры. Эта зависимость приближенно описывается соотношением:
8U = - 2 ■ 10 ⁻ ³ 5Т,             (1.3)
      где      SU (В) - изменение падения напряжения на диоде,
               дТ (К) - изменение температуры.
      В прямом включении падение напряжения на диоде не велико. Для приборов из германия оно обычно не превышает 0,6- 0,8 В. Кремни

б

евые диоды, из-за более высокой температуры плавления кремния, выдерживают прямое напряжение порядка 1-1,2 В.
      Обратный ток диода также сильно зависит от материала полупроводника и температуры. У кремниевых диодов I₀ меняется в пределах 1-10 мкА, у германиевых - 200-500 мкА. При возрастании температуры на 10К обратный ток диода удваивается.
      В практических расчетах вольтамперная характеристика диода обычно заменяется двумя прямыми:

I = J ^ I о,

при U > Uз, при U < Uз,

(1.4)

      где Uз- падение напряжения на диоде при протекании тока в

прямом направлении. Для кремниевых диодов величина Uд находится в пределах 0,8-1,2В, для германиевых -0,5 - 0,6 В.
      Применение упрощенного описания позволяет формализовать расчет схем и проводить его с минимальным использованием справочных данных.
      В процессе работы диода, как в прямом, так и в обратном включении вблизи р-п-перехода происходит накопление зарядов. По этой причине любой диод всегда обладает определенной емкостью, величина которой может оказывать влияние на протекающий через диод ток. В зависимости от знака приложенного напряжения различают барьерную и диффузионную емкость диода.
      Барьерная емкость оценивается при обратном включении, определяется площадью перехода, материалом полупроводника и зависит от приложенного напряжения (рис. 1.3).


                  С /Со
                     2

                     1


                     0 --------------------10     20 -U

     Рис.1.3. Относительное изменение барьерной емкости р-п-перехода

7

      При увеличении обратного напряжения увеличивается толщина обедненного слоя вблизи p-n-перехода и барьерная емкость уменьшается.
      Диффузионная емкость образуется под действием прямого напряжения за счет накопления вблизи запирающего слоя зарядов противоположной полярности. Из-за такой емкости переключение диода из проводящего состояния в закрытое не может произойти мгновенно. При изменении знака приложенного напряжения р-п-переход восстанавливает свои запирающие свойства только спустя определенное время. Время восстановления тв определяется при переключениях диода из режима прямого включения с максимальным током Iмакс в режим обратного включения с максимальным обратным напряжением Uмакс . Значение времени восстановления тв для маломощных диодов составляет 10^100 нс. У мощных диодов эта величина измеряется микросекундами. Если период колебаний переменного напряжения, приложенного к диоду, окажется меньше времени восстановления, то диод остается проводящим и не переключается в непроводящее состояние.
      По областям применения и свойствам диоды условно разделяются на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, туннельные и т.д.
      Выпрямительные диоды, столбы и блоки
      Выпрямительные диоды предназначены для работы в схемах выпрямления переменного напряжения. Обычно они используются для преобразования напряжения промышленной частоты 50Гц^50КГц в напряжение постоянное. В зависимости от параметров (частоты и формы) переменного напряжения диоды разделяются на низкочастотные и высокочастотные. Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Корпуса выпрямительных диодов могут быть различны, но мощные приборы обычно изготавливаются в корпусах, предусматривающих возможность механического крепления их к радиаторам теплоотвода.
      Основными параметрами выпрямительногодиода считаются:
          -  постоянное обратное напряжение Uₒpp - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без разрушения;

8

          -  средний прямой ток IПр Ср - максимально допустимое значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;
          -  максимально допустимый импульсный прямой IПр и -ток при заданной максимальной длительности импульса;
          -  постоянный обратный ток 1₀рр ;

          -  постоянное прямое напряжение UПр - падение напряжения на диоде при протекании через него среднего прямого тока IПр Ср ;
          -  средняя рассеиваемая мощность РСр - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом;
          -  максимальная частота FMₐKC - максимальная рабочая частота,, при которой обеспечиваются заданные параметры диода.
      Если частота переменного напряжения, приложенного к диоду, превышает FMₐKC, потери в диоде резко возрастают.
      Для повышения допустимого обратного напряжения выпрямительные диоды соединяются последовательно. Если соединение элементов выполнено на одном кристалле или в едином корпусе, то такой прибор называется выпрямительным столбом. Из-за последовательного соединения диодов в схеме столба прямое падение напряжения на таком приборе всегда значительно больше, чем на обычном диоде,
      Выпрямительные блоки представляют собой собранную в одном корпусе простую диодную схему. Чаще всего это схема диодного моста на четырех одинаковых диодах (рис. 1.4).




VD1-VD4

Рис 7.4. Диодный мост

+



9

      Импульсные диоды
      Импульсные диоды предназначены для работы с напряжениями несинусоидальной формы. Они обеспечивают малую длительность переходных процессов при переключениях диода из прямого включения в обратное. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-п-перехода. Уменьшение емкости достигается за счет уменьшения площади перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у импульсных диодов невелики. Основными параметрами, отличающими импульсные диоды от выпрямительных, являются:
         -   максимальное импульсное прямое напряжение UₙpU ,

         -   время восстановления обратного сопротивления диода ч:.
      Время восстановления определяется как промежуток времени, прошедший с момента изменения полярности напряжения, приложенного к диоду, до момента, когда обратный ток достигает значения 0,1 ■ I, где I -значениепрямоготока(рис. 1.5).


Рис.1.5. Процесс запирания диода

      У современных приборов время восстановления находится в пределах 4-10 нс.
      Одной из разновидностей импульсных диодов являются диоды Шоттки. В этих приборах роль р-п-перехода выполняет контакт «ме-талл-полупроводник». Накопление заряда в таком переходе весьма мало, так как перенос заряда в них обусловлен только основными носителями. Поэтому время восстановления диода может быть уменьшено до значения порядка 0,1 нс и максимальная рабочая частота повышает



10