Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Электроника

Покупка
Артикул: 791027.01.99
Доступ онлайн
350 ₽
В корзину
В учебном пособии излагаются вопросы по элементной базе современных полупроводниковых приборов, наиболее часто используемых при построении электронных устройств. Рассматриваются вопросы технической реализации преобразователей электрической энергии в электрическую и методы регулирования нагрузкой переменного и постоянного тока. Рассматриваются так же усилительные и импульсные устройства, излагается материал по основам цифровой и микропроцессорной технике. Учебное пособие предназначено для подготовки бакалавров очной (заочной) формы обучения по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия», тип образовательной программы - академический бакалавриат, профиль подготовки бакалавра - «Электрооборудование и электротехнологии в АПК».
Пигарев, Л. А. Электроника : учебное пособие / Л. А. Пигарев ; Энергетический факультет, кафедра «Электроэнергетики и электрооборудования». - Санкт-Петербург : СПбГАУ, 2017. - 149 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1901976 (дата обращения: 23.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Кафедра электроэнергетики электрооборудования 

 
 
 
 
 
 
 
 

ЭЛЕКТРОНИКА 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Санкт-Петербург 

2017 

 

Министерство сельского 
хозяйства РФ

УДК 621.382 
Электроника: учебное пособие / Л.А. Пигарев, энергетический  
факультет, каф. «Электроэнергетики и электрооборудования». 
СПб.: СПбГАУ. 2017. – 149 с. 
 

Рецензенты:  
Доктор 
технических 
наук, 
профессор 
кафедры  

«Электроэнергетики  и электрооборудования» А.П. Епифанов.   

Кандидат 
технических 
наук, 
доцент 
кафедры 

«Энергообеспечение и электротехнологии в АПК» А.В. Котов. 
 

В учебном пособии излагаются вопросы по элементной 

базе современных полупроводниковых приборов, наиболее часто используемых при построении электронных устройств. Рассматриваются вопросы технической реализации преобразователей электрической энергии в электрическую и методы регулирования нагрузкой переменного и постоянного тока. Рассматриваются так же усилительные и импульсные устройства, излагается материал по основам цифровой и микропроцессорной 
технике. 

Учебное пособие предназначено для подготовки бакалав
ров очной (заочной) формы обучения по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия», тип образовательной  программы - академический бакалавриат, профиль подготовки бакалавра  - «Электрооборудование и электротехнологии в АПК».  

Рекомендовано к изданию  согласно соответствующему 

договору Учебно-методическим советом СПбГАУ,  протокол  
№ 8    от  « 02 »  ноября  2017 г. 
 
 
 
 
 
 

© Л.А. Пигарев, 2017 
© ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2017

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение……………………………………………………………...
6

Раздел 1. Элементная база современных электронных устройств………………………………………………………………...
8

1. 1. Полупроводниковые материалы. Электронно-дырочный 
р-n переход………………………………………………………..
8

1.1.1. Элементы зонной теории твердого тела………………
8

1.1.2. Полупроводники p- и n- типов…………………………
10

1.1.3. Полупроводниковый p-n переход……………………...
13

1.1.4. Полупроводники на основе карбида кремния (SiC)….
19

1.2. Классификация полупроводниковых диодов………………
20

1.2.1. Выпрямительные диоды………………………………...
22

1.2.2. Диоды Шоттки…………………………………………..
23

1.2.3. Полупроводниковые стабилитроны……………………
27

1.2.4. Полупроводниковые излучающие диоды (светодиоды) 29

1.3. Биполярные транзисторы…………………………………… 31

1.3.1. Статические характеристики биполярных транзисто
ров…………………………………………………….......
35

1.3.2. Динамический режим работы транзисторов…………..
35

1.3.3. Параметры транзистора как четырехполюсника……... 36

1.4. Полевой транзистор…………………………………………. 38
1.5. Тиристоры и симисторы…………………………………….
44

1.6. Оптроны……………………………………………………… 50
1.7. Вопросы для самоконтроля по разделу 1…………………..
54

Раздел 2. Источники вторичного электропитания…………….. 55

2.1. Классификация преобразователей………………………….
55

2.2. Преобразователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (AC – DC преобразователи)…………
55

2.2.1. Неуправдяемые выпрямители………………………….. 57

2.2.1.1. Однофазные схемы выпрямления………………….
57

2.2.1.2. Трехфазные схемы выпрямления…………………..
61

2.2.2. Управляемые выпрямители…………………………….
63

2.3. Циклоконверторы (AC – AC преобразователи)…………… 65
2.4. Инверторы (DC – AC преобразователи)…………………… 69
2.5. Вопросы для самоконтроля по разделу 2…………………..
73

Раздел 3. Электронные и импульсные устройства…………….. 74

3.1. Электронные усилители. Классификация………………….
74

3.1.1. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером…
75

3.1.2. Эмиттерный повторитель………………………………
80

3.2. Операционные усилители (ОУ)……………………………
82

3.2.1. Общие сведения об операционных усилителях……...
82

3.2.2. Амплитудно-частотная характеристика ОУ…………. 85
3.2.3. Схемы включения операционных усилителей……….
87

3.2.3.1. Инвертирующее включение ОУ…………………
88

3.2.3.2. Неинвертирующее включение ОУ……………….
89

3.2.3.3. Дифференциальное включение  ОУ……………..
90

3.2.3.4. Сумматор на ОУ…………………………………..
3.2.3.5. Компараторы………………………………………

91
92

3.3. Генераторы гармонических колебаний…………………..
96

3.3.1. RC-автогенераторы гармонических колебаний……..
97

3.3.2. RC-автогенераторы на операционном усилителей…
99

3.4. Ключевой режим работы транзистора…………………...
101

3.4.1. Параметры импульсов………………………………...
102

3.5. Генераторы прямоугольных импульсов…………………
103

3.6. Силовые транзисторные ключи MOSFET и IGBT………
107

3.7. Вопросы для самоконтроля по разделу 3………………..
112

Раздел 4. Основы цифровой и микропроцессорной техники
113

4.1. Логические функции………………………………………
113

4.1.1. Описание логических функций………………………
113

4.1.2. Логические вентили…………………………………..
116

4.1.3. Типы логических интегральных схем………………
117

4.1.3.1.Транзисторно-транзисторная логика…………….
118

4.1.3.2. Логические схемы с тремя состояниями………..
120

4.1.3.3. МОП логика……………………………………….
121

4.1.3.4. КМОП логика……………………………………..
122

4.2. Триггеры на логических элементах………………………
124

4.2.1. Общие сведения о триггерах…………………………
124

4.2.2. RS- триггеры…………………………………………..
126

4.2.3. D-триггеры…………………………………………….
129

4.2.4. Универсальные JK-триггеры…………………………
130

4.2.5. Счетные Т-триггеры…………………………………..
132

4.3. Основы микропроцессорной техники……………………
133

4.3.1. Системы счисления…………………………………...
133

4.3.2. Счетчики импульсов………………………………….
137

4.3.3. Микроконтроллеры…………………………………..
140

4.3.3.1. Принципы организации микроконтроллеров…...
140

4.3.3.2. Архитектура микропроцессоров и их функцио
нирование………………………………………….
142

4.3.3.3. Структура микроконтроллеров…………………..
145

4.4. Вопросы для самоконтроля по разделу 4………………..
148

Библиографический список……………………………………
149

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Современная электроника является  исключительно эф
фективным средством при решении самых различных задач в 
области преобразования и  сбора  информации, автоматического управления, выработки и преобразования энергии. Современный технический прогресс немыслим  без применения электроники. Знания в области электроники необходимы все более 
широкому  кругу специалистов в различных областях  производства и техники. Трудно назвать технологический процесс, 
управление которым осуществлялось бы без использования 
электроники. В настоящее время роль электроники существенно возрастает в связи с применением цифровой и микропроцессорной техники в области информационных технологий и во 
всех сферах производства. Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю, которая составляет чуть более 100 
лет. Первый ее период связан с эпохой вакуумных ламп и  ионных приборов.  

Современная электроника в основном полупроводнико
вая. Разработка в конце 40х годов первых полупроводниковых 
элементов (диодов и транзисторов) привела к появлению модульного принципа конструирования электронной аппаратуры, 
основой при котором являлась элементарная ячейка - модуль, 
стандартный по размерам, способу сборки и монтажу. Основным показателем совершенства электронной аппаратуры является плотность упаковки, т. е. количество элементов схемы в 1 
см3  конкретного устройства. При модульном принципе плотность упаковки составляла порядка 2,5 эл/см3.  Дальнейшее совершенствование полупроводниковых приборов привело к  созданию микромодулей. Плотность упаковки при этом превышала 
10 эл/см3. Микромодули завершили эпоху транзисторной электроники и привели к возникновению интегральной электроники 
или микроэлектроники. В схемотехническом отношении интегральная электроника практически не отличается от транзисторной, так как в интегральной схеме можно выделить все 
элементы принципиальной схемы устройства. Однако,  размеры 
этих элементов очень малы (0,05 - 1 мкм), что позволило в ин
тегральных схемах повысить плотность упаковки, доведя ее до 
миллионов и более элементов в 1 см3.  

Современные технические специалисты должны знать 

основу современной электроники и направления её дальнейшего развития. 

В учебном пособии будут рассмотрены основные полу
проводниковые материалы, элементная база электронных устройств, источники вторичного электропитания,  аналоговые 
электронные устройства, устройства цифровой и импульсной 
электроники, а также элементы цифровой и микропроцессорной 
техники.  

Пособие направлено на формирование у обучающихся 

элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВО 
по 
данному 
направлению 
подготовки: 
способности 
к 

использованию 
основных 
законов 
естественнонаучных 

дисциплин 
в 
профессиональной 
деятельности 
(ОПК-2); 

способности разрабатывать и использовать графическую и 
техническую документацию (ОПК-3); способности решать 
инженерные задачи с использованием основных законов 
механики, электротехники, гидравлики, термодинамики и 
тепломассообмена (ОПК-4); способностью осуществлять сбор и 
анализ исходных данных для расчета и проектирования (ПК-4). 

Учебное пособие может быть полезно при подготовке ба
калавров очной (заочной) формы обучения по направлению 
подготовки  35.03.06 «Агроинженерия»,  профиль подготовки 
бакалавра -  «Электрооборудование и электротехнологии в 
АПК» в процессе  изучении дисциплины «Электроника», а так 
же  выполнении курсовой работы по данной дисциплине и ВКР. 

 

 
 

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СОВРЕМЕННЫХ  
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 

1.1.  Полупроводниковые материалы. Электронно
дырочный  р-n переход 

1.1.1. Элементы  зонной    теории  твердого  тела 
Согласно зонной теории твердого тела, уровни энергий 

электронов расщепляются в зоны. Зоны представляют собой 
набор возможных уровней энергий. Эти уровни дискретны и 
расстояния между ними кратны h, где h = 6,63  10 -34 Дж/с - 
постоянная Планка,  - частота электромагнитного излучения. 
При переходе электрона с высшего энергетического уровня на 
низший выделяется квант энергии Е2 - Е1 = h. Для перехода 
электрона с низшего энергетического уровня на высший ему 
надо извне сообщить квант энергии h. 

У кристаллических веществ уровни энергии внешних элек
тронов расщепляются на две зоны: в валентную зону (валентные электроны) и  в зону проводимости (свободные электроны). 
Число энергетических уровней в каждой зоне велико и примерно равно числу атомов в единице объема (1023 см-3).  
На рис. 1.1 изображена энергетическая диаграмма кристаллического вещества. На этой диаграмме Еv – «потолок» валентной  
зоны, Ес - «дно» зоны проводимости, Еo - уровень энергии 
 

электронов в вакууме (работа выхода электронов), Еg - ширина 
Рис.1.1. Энергетическая диаграмма кристаллического вещества

3
_
1

Д

A

Е

Е

Е

Валентная
зона

Зона проводимости

Eg
Запрещенная
зона

Ео

Еф

Еv

Ec

запрещенной зоны, ЕД и ЕА - уровни энергии электронов атомов 
доноров и акцепторов, Еф – уровень Ферми (средняя энергия 
электронов в кристалле, вероятность заполнения уровня которой равна 0,5). Между валентной зоной и зоной проводимости 
расположена запрещенная зона, в которой не могут находиться 
энергетические уровни электронов.  

Ширина запрещенной зоны Еg равна энергии, которую 

необходимо сообщить  электрону, чтобы он стал свободным, то 
есть перешел из валентной зоны в зону проводимости: Еg = Ec - 
Ev. В металлах запрещенная зона практически отсутствует, и 
энергетические уровни зоны проводимости и валентной зоны 
смыкаются. Уровень Ферми Еф лежит где-то посередине. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число 
электронов имеют энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом 
металла отдает в зону проводимости не менее одного электрона. 
Число электронов проводимости в металлах не меньше числа 
атомов. 

У диэлектриков ширина запрещенной зоны составляет 

несколько эВ. Поэтому при нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется очень незначительное 
число электронов, в следствие чего диэлектрики обладают ничтожно малой проводимостью.  

У полупроводников зонная диаграмма похожа на зонную 

диаграмму диэлектриков, но ширина запрещенной зоны меньше, чем у диэлектриков и составляет около одного эВ. Поэтому 
при низких температурах полупроводники обладают малой 
проводимостью, но уже при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону 
проводимости. Ширина запрещенной зоны Eg - один из основных параметров материала полупроводника. Ширина и структура зон определяют все свойства полупроводников. Другой 
способ изображения зон - так называемая зонная диаграмма, 
представляющая зависимость энергии электронов от волнового 
числа k, которое связанно с импульсом электрона  p = hk/2π. 
 

Импульс электрона можно найти через эффективную 

массу и энергию электрона: 

                  p = E2 /2m, 

откуда             E2 = k (hm/π). 

На рис. 1.2 показаны зонные диаграммы кремния и гер
мания (а) и арсенида галлия (б). Зонные диаграммы Si и GaAs 
отличаются тем, что у GaAs максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости соответствуют К = 0. Такие полупроводники называются прямозонными. У Si экстремумы зон не 
совпадают и соответствуют разным значениям волнового числа. 
Такие полупроводники называются непрямозонными.  

 

1.1.2. Полупроводники p- и n-типов 

В качестве полупроводников наиболее широко применя
ются кристаллический кремний или германий (собственные полупроводники); ширина запрещенной зоны у них соответственно составляет 1,1 эВ и 0,72 эВ. Полупроводник имеет кристаллическую решетку в виде тетраэдра. Плоскостное изображение 
различных типов полупроводников показано на рис. 1.3. 
В узлах кристаллической решетки полупроводника i-типа находятся четырехвалентные ионы кремния или германия (см. рис. 
1.3,а). Внешние орбитальные электроны образуют ковалентные 
связи.  

 
 

3
_
2

Е
зона прово
димости

запрещенная
зона

валентная

зона

Si и Ge

K

а

запрещенная
зона

валентная

зона

зона прово
димости

Е

K

GaAs

б

Рис. 1.2. Зонные диаграммы непрямозонных (а)

и прямозонных (б) полупроводников

В полупроводниках существуют носители зарядов  двух 

типов - электроны и дырки. Дырка – это отсутствие электрона. 
 

 
Дырка – это квазичастица, то есть не реальная частица, а 

оборванная ковалентная связь после отрыва электрона от атома. 
Заряд дырки положителен и равен по величине заряду 
электрона. 

Под воздействием внешних факторов (температура, свет, 

ионизирующие 
излучения 
и 
т.д.) 
в 
собственном 

полупроводнике 
(i-типа) 
возможен 
разрыв 
отдельных 

ковалентных связей с образованием пар носителей заряда 
электрон-дырка. Электрон переходит в зону проводимости 
(если его энергия больше ширины запрещенной зоны), где он 
становится свободным электроном (электроном проводимости). 
Находясь в валентной зоне, дырка тоже может перемещаться, 
однако ее подвижность в два - три раза меньше подвижности 
свободного 
электрона, 
так 
как 
дырка 
последовательно 

перемещается от одного атома к другому. Перемещение дырок 
по физической сути является перемещением электронов в 
валентной зоне: электрон соседнего атома восстанавливает 
ковалентную связь, образуя дырку. 

Процесс образования пар носителей заряда (НЗ) под 

воздействием внешних факторов называется генерацией НЗ. 

3_3_в

Рис. 1.3. Кристаллическая решетка кремния и германия в 
плоскостном изображении: полупроводник  i–типа (а),  
n–типа (б),  p–типа (в)

а
б
в

свободный 
электрон

свободный 
электрон
дырка
дырка

+4

+4

+4
+4

+4

+5
+4
+4

+4
+4

+4
+4

+4
+4
+4
+4

+4
+4
+4

+4
+4
+4
+4

+3

При встрече электрона с дыркой восстанавливается 

ковалентная связь – носители заряда рекомбинируют. При этом 
выделяется энергия. Рекомбинация электронов и дырок может 
быть безизлучательной и излучательной.  Излучательная 
рекомбинация НЗ возможна в прямозонных полупроводниках 
(см. рис. 1.2,б). Она сопровождается испусканием квантов света 
и используется для создания полупроводниковых светодиодов. 
При безизлучательной рекомбинации энергия передается 
кристаллической решетке полупроводника.  

Если в полупроводник ввести атомы примесей, то они 

будут 
находиться 
в 
особых 
состояниях. 
Дискретные 

энергетические уровни электронов примесей при малых 
концентрациях лежат внутри запрещенной зоны (см. рис. 1.1). 
Если в полупроводник ввести донорную примесь (в 4валентный Si или Ge ввести 5-валентный  As или Sb), то при 
ионизации донорного атома один электрон переходит с 
донорного уровня Ед в зону проводимости. Разность энергий 
ЕД = ЕС – ЕД называется энергией ионизации донора. Так как 
ЕД << ЕД, то при невысоких температурах число свободных 
электронов, возникающих вследствие ионизации доноров, 
превышает число носителей заряда, возникающих вследствие 
тепловой генерации из атомов полупроводника. В таком 
полупроводнике электроны называются основными носителями 
зарядов, а полупроводник электронным или  n-типа (см. рис. 
1.3,б) от латинского Negativus – отрицательный. Донорными 
примесями могут быть химические элементы V и VI групп: V 
группа - P, As, Sb; VI группа - S, Se, Te. 

Если в полупроводник ввести акцепторную примесь (в 4
валентный Si или Ge ввести 3-валентный В, Al, или In), то в таком полупроводнике будет преобладать дырочная проводимость – основные носители заряда - дырки. Такой полупроводник называется дырочным или p-типа (см. рис. 1.3,в)  от латинского Posetivus – положительный. Энергия ионизации акцепторов ЕА = ЕА – ЕV. Переход электронов из валентной зоны на 
акцепторные уровни приводит к появлению в валентной зоне 
дырочной проводимости. Акцепторные примеси - это элементы 
II и III труппы: II группа - Zn, Cd, Hg; III группа - B, Al, Ga, In. 

Помимо основных носителей зарядов в примесных полу
проводниках за счет воздействия внешних факторов генерируются пары носителей зарядов как и в собственных полупроводниках (i–типа). При этом электроны в полупроводниках р-типа 
и дырки в полупроводниках n-типа и являются неосновными 
носителями зарядов (ННЗ), так как их концентрация во много 
раз меньше концентрации ОНЗ. Введем обозначение: 

nn, pp - концентрации основных носителей зарядов (ОНЗ); 
np, pn - концентрации неосновных носителей зарядов (ННЗ). 

Тогда nn  pn = np  pp = n2

i - величина постоянная для каждого 

полупроводника и зависит от температуры. 
 
1.1.3. Полупроводниковый p-n переход 

  Полупроводниковый p-n переход  образуется на границе  

раздела полупроводников p- и n-типов  (рис.1.4). Такая  двухслойная p-n структура получается путем  введения в один       из 
слоев кремния (германия)  акцепторной  примеси, а в   другой – 
донорной примеси. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

nn  1015

электроны

дырки

Атомы
примеси

Атомы
примеси

Рис. 1.4. Образование p-n перехода в полупроводнике: а) - p-n структура полупроводника; б) - распределение концентрации носителей заряда; 
в)  - потенциальный барьер в p-n переходе.

L 0


р
n

Е

0

1018 рр

109 nр
pn 1012

ni

x

φ

φ0

0
х
в)

б)

а)

Доступ онлайн
350 ₽
В корзину