Электротехника и электроника Комплексный метод расчета цепей Биполярные транзисторы Индикаторные приборы Мультивибраторы Электронные ключи Однофазные выпрямители Расчёты в трёхфазных цепях Микропроцессор

Электронные приборы и устройства

Возникновение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства и в частности электротехники. В цепи замечательных открытий и изобретений в этой области следует особо выделить такие достижения, как открытие явления термоэлектронной эмиссии
(1887 г.), создание электровакуумного диода английским ученым Я. Флемингом (1904 г.) и триода Ли де Форестом в США в 1907 г. Эти изобретения позволили генерировать и усиливать электромагнитные колебания. Электроника – важнейшая отрасль науки и техники, изучающая физические процессы, происходящие в электровакуумных и полупроводниковых приборах при взаимодействии заряженных частиц и электрических полей, а также занимающаяся разработкой и созданием электронных приборов и устройств для измерения, контроля, обработки и хранения информации.

Особо следует отметить открытие в 1889 г. русским физиком А.С. Поповым возможности использования электромагнитных волн для передачи сигналов на большие расстояния и создание им в 1895 г. первого в мире радиоприемника.

В 1907 г. русский физик Б.Л. Розинг сформулировал основные принципы телевидения.

Огромный скачок в развитии электроники произошел после открытия в 1922 г. О.В. Лосевым явления проводимости в полупроводниках и разработки группой физиков под руководством академика А. Ф. Иоффе теории полупроводников и их технического применения. После этого использование полупроводниковых приборов в различных областях электроники, радиотехники, вычислительной техники приобрело массовый характер.

Современный этап развития электроники и электронной техники характеризуется использованием новых материалов и технологий, все более сложных и надежных электронных устройств. В связи с этим наибольшее развитие получила интегральная электроника. Первые интегральные микросхемы были созданы в США в 1958 г. Д. Килби и Р. Нойсом.

Создание микросхем позволило существенно снизить размеры и энергопотребление устройств, повысить их надежность и быстродействие.

Исследование высоких технологий в современном производстве способствовало повышению плотности размещения элементов микросхемы в кристалле, что привело к появлению микропроцессоров – основных элементов современных электронно-вычислительных машин.

Современные электронные приборы и устройства широко применяют в различных областях производства при автоматизации технологических процессов, в компьютеризации производственных процессов. В связи с этим изучение электроники будущими специалистами производства, независимо от области их деятельности, позволит существенно повысить их профессиональный уровень.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Электровакуумные приборы

Принцип работы электровакуумных приборов основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Электровакуумные приборы условно можно разделить на электронно-управляемые, газоразрядные и электронно-оптические

В электронно-управляемых приборах – лампах – проводимость обусловлена только свободными электронами, возникающими за счет эмиссии. Лампа представляет собой стеклянный или металлический баллон, в котором создается вакуум. В баллон помещают положительный электрод (катод) и отрицательный электрод (анод). Кроме того, в лампе могут быть один или несколько управляющих электродов (сеток). Катод нагревают до температуры, при которой свободные электроны покидают металл катода и перемещаются в вакууме к аноду. Число электронов, следовательно, и ток, проходящий через прибор, можно регулировать, изменяя электрический потенциал на управляющих электродах.

Электронные лампы используются в электронных приборах для выпрямления переменного тока, усиления сигналов и т.д.

В газоразрядных приборах проводимость обеспечивается в основном наличием в баллоне какого-либо инертного газа. При воздействии на прибор различных внешних факторов – электромагнитного поля, температуры, светового потока – газ ионизируется (появляются, кроме электронов, положительно и отрицательно заряженные ионы) и в газовой среде возникает электрический разряд. Газоразрядные лампы используют в качестве различных электронных индикаторов и указателей.

Полупроводниковые приборы

Элементы физики полупроводников

К полупроводникам относятся твердые вещества (чаще всего – кристаллические), электропроводность которых, как и в проводниках, связана с перемещением электронов, но значительно меньше электропроводности проводников. По электропроводности полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Под влиянием различных причин их электропроводность может изменяться в очень широких пределах.

Полупроводниками являются химические элементы (германий, кремний, теллур, селен и др.), окислы металлов, сернистые соединения (сульфиды), соединения с селеном (соленоиды), а также сплавы некоторых металлов.

Упрощенная схема структуры кристалла четырехвалентного элемента (например, германия) показана на рис. 12.1. Четыре электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют в связях с четырьмя соседними атомами. Поскольку все валентные электроны заняты в междуатомных связях, то в веществе не оказывается свободных электронов, которые могли бы перемешаться для образования тока.

Рис. 12.1

Такое вещество не проводит электрического тока, т.е. ведет себя как изолятор.

Во многих случаях электропроводность можно создать усилением тепловых колебаний с помощью нагрева. Тогда отдельные валентные электроны могут разрывать свои связи с атомами вещества. Вырвавшийся из междуатомной связи электрон, нарушает равновесие электрических зарядов – в элементе кристаллической решетки создается недостаток отрицательного заряда. «Пустое место», образующееся в результатевыхода электрона, получившее название «дырки», соответствует, таким образом, положительному заряду.

Схематическое изображение этого состояния показало на рис. 12.1, где дырки отмечены буквами Д. Освободившиеся электроны движутся в участках кристаллической решетки, в которых дырки отсутствуют. При сближении с дыркой они могут заполнять недостающую связь, после чего восстанавливается равновесное электрическое состояние. Этот процесс называется рекомбинацией.

Если приложить к кристаллу электродвижущую силу и создать таким образом электрическое поле, то свободные электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом источника электродвижущей силы и притягиваться к положительному. Перемещаясь в направлении электрического поля, эти электроны будут участвовать в создании тока. В свою очередь, наличие дырок также создает возможность для прохождения тока. Качественная картина электропроводности в этом случае может быть пояснена схемой (рис. 12.2), где для наглядности действительная структура из атомов, взаимно связанных через валентные электроны, условно заменена простой цепочкой из атомов.

При отсутствии свободных электронов и дырок (рис. 12.2 а) электрический ток в цепи отсутствует. В случае наличия дырок притяжение со стороны нескомпенсированных положительных зарядов действует на электроны соседних нейтральных атомов и способствует вырыванию их из связей, в которых они участвуют. В процессе теплового движения атомов и при наличии указанного дополнительного воздействия возможно высвобождение электронов из соседних элементов кристаллической решетки. При этом электроны могут переходить в недостающие связи, например, как это показано стрелкой на рис.12.2 б. При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок происходит беспорядочно.

Схемы (рис. 12.2 б–г) поясняют картину явлений при наличии электрического поля, созданного приложенной извне электродвижущей силой. В этом случае на электроны действует дополнительное напряжение, направленное к положительному полюсу эдс.

В результате переход электронов упорядочивается и при данной полярности ЭДС происходит в направлении «плюса», как это показано стрелкой на рис. 12.2 б. После перехода электрона дырка Д оказывается правее своего первоначального положения (рис. 12.2 в). Аналогично происходят и дальнейшие переходы электронов, причем дырка постепенно перемещаются вправо (рис. 12.2 г). Нетрудно видеть, что ток в цепи в этом случае по-прежнему связан с движением электронов, однако это движение проявляется в изменении положения положительных зарядов (т. е. мест, в которых недостает электрона).

Рис. 12.2

В реальных условиях полный ток в чистом полупроводнике связан с одновременным перемещением свободных электронов и дырок.

В полупроводниках, в отличие от диэлектриков, количество свободных носителей электрических зарядов, т.е. электронов и дырок, оказывается сравнительно большим уже при комнатной температуре. Однако оно неизмеримо меньше количества свободных электронов в металле. Поэтому ток в электрической цепи, содержащей полупроводник, зависит от количества свободных носителей зарядов. Благодаря сильной зависимости количества свободных носителей электрического заряда от температуры, температурный коэффициент сопротивления полупроводника оказывается значительно больше, чем температурный коэффициент сопротивления металла.

При изменении тока в электрической цепи, содержащей полупроводник, изменяется и сопротивление этой цепи. Причина этого заключается в следующем. Увеличение тока связано с увеличением количества движущихся в полупроводнике электронов. Эти электроны, отдавая часть своей энергии атомам вещества, вызывают увеличение числа высвобождающихся из междуатомных связей электронов, т.е. увеличение количества свободных электронов и дырок. Сопротивление цепи при этом уменьшается. Ток, проходя по стержню из полупроводника, нагревает его, а нагревание увеличивает электропроводность. В результате сопротивление полупроводникового элемента резко изменяется с изменением тока, и падение напряжения оказывается не прямо пропорциональным току, как это имеет место в обычной цепи с постоянным сопротивлением, а зависящим от него по другому, более сложному закону.

При освещении полупроводника энергия света, передаваясь электронам, вызывает усиленное высвобождение их из связей с атомами, что при наличии электродвижущей силы так же, как и нагревание, ведет к увеличению тока в полупроводнике. Это явление называется фотопроводимостью. На электропроводность влияют и излучения, связанные с радиоактивным распадом.

Принцип действия многих полупроводниковых приборов основан на получении в полупроводнике электропроводности, связанной с присутствием свободных носителей электрического заряда какого-либо одного типа: только электронов или только дырок. Такая электропроводность может быть получена добавлением в кристалл полупроводника примесей других элементов(фосфора, сурьмы, мышьяка, бора, алюминия, индия). Получаемая при этом электропроводность, называемая часто примесной, может быть значительно большей, чем электропроводность чистого полупроводника, называемая собственной. Если, например, в кристаллической решетке один из атомов заменен примесным атомом, имеющим на один валентный электрон больше, чем соседние атомы основного полупроводника, то «лишний» электрон не участвует в валентных связях с соседними атомами и может сравнительно легко оторваться от своего атома. В этом случае ионизация примесного атома приводит к образованию свободного электрона, участвующего в электронной электропроводности. Такая примесь называется донорной. Положительный местный заряд, возникающий после потери электрона нейтральным атомом примеси, неподвижен и не участвует в электропроводности. Если, наоборот, примесный атом имеет на один валентный электрон меньше, чем атомы основного вещества, то при ионизации он может захватывать и сравнительно прочно связывать электрон соседнего атома, что приводит к образованию дырки. Такая примесь называется акцепторной. Ток в полупроводнике в этом случае связан главным образом с перемещением не избыточных электронов, а дырок, т. е. возникает дырочная электропроводность.

Поскольку в первом случае свободные носители зарядов отрицательны (negative), а во втором – положительны (positive), электронная электропроводность обычно обозначается буквой n, а дырочная – буквой p.

Если при нормальной температуре примесная электропроводность преобладает над собственной, то при повышении температуры быстро возрастающая собственная электропроводность начинает играть главную роль, т.е. прохождение тока оказывается связанным с перемещением зарядов обоих типов, а не только электронов или только дырок.

Одной из особенностей полупроводников, обладающих примесной электропроводностью, является возможность получения сравнительно большой электродвижущей силы Холла. Сущность эффекта Холла состоит в отклонении подвижных носителей электрического заряда магнитным полем в направлении, перпендикулярном направлению тока и магнитному полю. Известно, что действие магнитного поля на провод с током вызывает движение провода. Если провод неподвижен, то в направлении его предполагаемого движения смещаются внутри него носители электрического заряда, которые образует ток. Если носителями заряда являются электроны, то смещение их в одном направлении соответствует отрицательному заряду соответствующего участка провода. С противоположной стороны, где создается недостаток электронов, возникает соответствующий положительный заряд, как это показано на рис. 12.3 а.

При дырочном характере электропроводности происходит смещение дырок, т. е. положительных зарядов. Поперечная поляризация в этом случае оказывается противоположной по сравнению с предыдущим случаем (рис. 12.3 б).

а)  б)

Рис. 12.3

При наличии в полупроводнике смешанной электропроводности (электронной и дырочной) смещение этих разнотипных носителей заряда при действии магнитного поля привело бы к появлению разности потенциалов только при неодинаковом количестве свободных электронов и дырок. При этом поперечная разность потенциалов оказывается малой. Отрицательный суммарный заряд смещенных электронов компенсируется положительным суммарным зарядом смещенных дырок. Если магнитное поле действует на полупроводник с примесной электропроводностью одного типа (электронной или дырочной), то взаимная компенсация зарядов не возникает. В этом случае поперечная разность потенциалов может получаться сравнительно большой.

Поперечная электродвижущая сила, обусловленная эффектом Холла, прямо пропорциональна произведению тока на напряженность магнитного поля и зависит от концентрации свободных носителей заряда. Она может значительно превышать электродвижущую силу Холла в металлах при том же токе и той же напряженности магнитного поля.

Введением примесей в различные участки кристалла полупроводника в нем можно получить зоны с различной электропроводностью. Полупроводники, с чередующимися участками электронной и дырочной электропроводности, наиболее часто применяют в современной техники. Такими свойствами обусловлено, например, выпрямительное действие электронно-дырочного перехода.

Полупроводниковые диоды

В пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу, и при их встрече происходит рекомбинация. В цепи, таким образом, протекает ток (рис. 12.4 а).

Если изменить направление тока на обратное (рис.12.4 б), то изменится и направление движения дырок и электронов. Носители зарядов при этом не приближаются к граничной поверхности полупроводников, а удаляются от нее.

  а) б)

Рис. 12.4

В результате в пограничной области образуется слой, лишенный свободных носителей зарядов. Постоянный ток через этот слой проходить не может. В реальных условиях очень малый ток проходит через этот слой вследствие наличия в полупроводнике, наряду с примесной, некоторой собственной электропроводности. Однако сопротивление цепи в этом случае (рис. 12.4 б) во много раз больше, чем в предыдущем случае (рис. 12.4 а).

Электронно-дырочный, или p-n, переход представляет собой электрический переход между p и n зонами полупроводника. Электронный прибор с таким переходом называется полупроводниковым диодом. Он обладает односторонней проводимостью. Все полупроводниковые диоды по конструктивному исполнению делят на точечные и плоскостные. Точечный диод состоит из пластины германия или кремния с электропроводностью n-типа и вплавленной в нее стальной проволочкой (рис. 12.5 а). У точечного диоды линейные размеры p-n - перехода много меньше его толщины. Из-за малой площади контакта пря-

 

  а) б)

Рис. 12.5

мой ток таких диодов, а также их межэлектродная емкость сравнительно малы, поэтому их используют в основном для выпрямления тока в слаботочных устройствах сверхвысокой частоты. Вольт–амперные характеристики точечных диодов приведены на рис. 12.5 б.

В плоскостных диодах p-n - переход образован двумя полупроводниками с различными токами электропроводности, причем линейные размеры перехода много больше его толщины. Площадь перехода колеблется в широких пределах: от долей мкм2 до нескольких см2, поэтому прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Конструкция и вольт-амперные характеристики плоскостных диодов показаны на рис. 12.6 а, б.

а)  б)

Рис.12.6

Основными параметрами диодов являются: прямой максимальный ток диода , прямое напряжение , максимально допустимое обратное напряжение , обратный ток диода .

В настоящее время центральное производство и распределение электрической энергии осуществляется в основном на переменном токе. Цепи с изменяющимися — переменными — токами по сравнению с цепями постоянного тока имеют ряд особенностей. Переменные токи и напряжения вызывают переменные электрические и магнитные поля. В результате изменения этих полей в цепях возникают явления самоиндукции и взаимной индукции, которые оказывают самое существенное влияние на процессы, протекающие в цепях, усложняя их анализ.
Расчет электротехнических цепей Лабораторные работы и решение задач