Предельные эксплуатационные параметры

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

по дисциплине

«Физические основы электроники.

        Составитель:Заневский Э.С. к.т.н. проф.                                    

    Приведены методические указания по самостоятельному изучению дисциплины «ФОЭ», контрольные задания и методические указания по выполнению контрольных заданий, и рекомендации по его выполнению. Предназначено для студентов заочного отделения.

    Рецензент: Г.В. Кропачев, к.т.н., доцент

    Издание стереотипное. Утверждено на заседании кафедры

УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

В дисциплине "ФОЭ" студенты знакомятся с исключительно важной и интересной отраслью современной техники - электроникой, представленной на современном этапе, в основном микроэлектроникой (для некоторых специальностей этот курс называется промышленной электроникой, электронными элементами автоматики и др.) Электроника играет огромную роль во всех областях человеческой деятельности. Особенно велика ее роль в техническом прогрессе. Круг вопросов, связанных с электроникой, весьма обширен и сложен. В курсе рассматривается лишь часть вопросов, таких, как физические основы действия и характеристики электронных полупроводниковых приборов, как дискретных, так и микроэлектронных; схемы и принцип работы распространенных, несложных электронных устройств, на базе которых создаются более сложные устройства различных управляющих и вычислительных систем.

Следует иметь в виду, что при самостоятельном изучении электроники студенты встречают ряд трудностей, связанных с появлением в ходе изучения новых понятий и явлений. Для успешного изучения дисциплины электроники необходимы знания основ электротехники (ТОЭ) и физики и достаточная настойчивость и систематичность при изучении. Для студентов читаются установочные лекции, в которых даются более подробные указания и уточнения по изучению дисциплины. На примерах раскрывается содержание некоторых (ключевых) тем, их глубина и порядок изучения. Для удобства изучения материал дисциплины разбит на небольшие темы, а в каждой теме выделены более мелкие вопросы, являющиеся ключевыми в данной теме, на которые следует обратить внимание при изучении.

В процессе изучения нужно выполнить контрольные задания, приведенные в конце указаний. После выполнения контрольных заданий студенты выполняют лабораторные работы в лаборатории электроники кафедры автоматики и телемеханики (лаб. 330, корпус А, комплекс) под руководством преподавателя. После получения зачетов по контрольным заданиям и по лабораторным работам (по лабораторным работам студенты сдают отчеты индивидуально) студенты допускаются к сдаче экзамена и зачета.

Распределение объемов учебных занятий по дисциплине приведено в табл. 1.

Таблица 1

Основной формой изучения дисциплины является самостоятельная работа с использованием рекомендованной литературы. Можно использовать другую учебную литературу по электронике (не приведенную в списке), предназначенную для вузов или для радиотехнических и электротехнических техникумов. Литература для радиолюбителей и неэлектротехнических учебных заведений не годится.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1.И.П Степаненко Основы микроэлектроники.-М. Сов. Радио 1980..

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.

3. Бобров И.И. Физические основы электроники: Учебное пособие / Пермь: ПГТУ, 2002.

4. Заневский Э.С.Физические основы и элементная база электроники.

ПГТУ Пермь 2004.

Дополнительная

5. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977.

6. Пасынков В.В.и др. Полупроводниковые приборы. В.Ш. 1973.

7. Бобров И.И. Кропачев Г.В. ФОМ ч1и ч.2 ПГТУ 1995.

Перечень тем

1. Введение.

2. Полупроводники.

3. Электронно-дырочные переходы. Диоды.

4. Биполярные транзисторы.

5. Полевые транзисторы.

6. Тиристоры.

7. Фотополупроводниковые приборы.

СОДЕРЖАНИЕ ТЕМ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ИХ ИЗУЧЕНИЮ

При изучении дисциплины электроники следует пользоваться, как правило, основной литературой. В ней наиболее доступно и кратко изложены основные вопросы программы дисциплины электроники. В дополнительной литературе эти же вопросы изложены более полно и строго, с использованием математического аппарата, как в области дискретной электроники [4], так и в области цифровой техники [5]. Работы [6,7] могут облегчить выполнение контрольных работ.

Для каждой части темы указаны источники литературы с указанием глав и параграфов, например, [2, гл.3, §4,6]. Первым всегда указан тот источник, который наиболее полно соответствует программе.

1. Введение.                                                                                                                                                   

Роль электроники. Особые свойства электронных приборов. Развитие электроники. Дискретные полупроводниковые приборы. Интегральные схемы.

Литература: [1,2,3,4,5].

2. Полупроводники.

Темы 2, 3, 4 частично изучаются в курсах физики и ТОЭ как материал для иллюстрации различных закономерностей постоянного и переменного тока. Однако, для изучения электроники и соотношений, уточнение и приведение полученных ранее сведений в соответствии с требованиями электроники, особенно микроэлектроники.

Общая характеристика полупроводниковых материалов. Собственные полупроводники - кристаллическая структура, зонные диаграммы. Концентрации собственных носителей , зависимость  от температуры. Примесные полупроводники n-типа (электронные) и р-типа (дырочные) - кристаллическая структура, зонные диаграммы. Концентрации основных  и неосновных  носителей, зависимость их от температуры.

Прохождение тока через полупроводники: электронная и дырочная, дрейфовая и диффузионная составляющие полного тока в полупроводнике.

Литература: [1, §1.1; 6, гл.1], [8].

3. Электронно-дырочные переходы. Диоды.

Образование и равновесие электронно-дырочного перехода (р-n-перехода) в кристалле с резкой границей между зонами с разным типом проводимости (между р- и n-зонами). Токи в p-n-переходе в равновесии (тепловой и диффузионный). Смещение p-n-перехода внешним напряжением. Прямое и обратное направление. Эквивалент ключа.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода (теоретическая).

Диоды. Устройство и принцип действия. Сопоставление с p-n-переходом. ВАХ диода теоретическая и реальная Различия реальной и теоретической ВАХ. Пробой p-n-перехода (диода). Параметры диода.

Разновидности диодов: выпрямительные диоды (силовые, средней и малой мощности), кремниевые стабилитроны, импульсные диоды, туннельные и обращенные диоды. Дополнительные параметры, характеризующие различные группы диодов (например, стабилитронов, импульсных диодов и др.).

Литература: [1, §1,2], [3], [2, §2.3 ¸ 2.6], [6, гл. 2,3], [8].

4. Биполярные транзисторы.

Этот раздел является ключевым для всего курса электроники, поэтому проработать (изучить) его следует особенно внимательно.

Биполярный бездрейфовый транзистор p-n-p и n-p-n-типа. Устройство и принцип действия p-n-p-транзистора. Потенциальная диаграмма. Потоки носителей в эмиттерном и коллекторном р-n-переходах и в базе. Управление током коллекторного перехода. Коэффициент передачи тока a. Связь величины a с толщиной базы W и со средней длиной диффузии L_p дырок в n-области (базе). Транзистор n-p-n-типа и его отличия от р-n-p-транзистора.

Три схемы включения транзистора в электрической цепи: ОБ, ОЭ, ОК и краткая их характеристика.

Статические характеристики транзистора - выходные (коллекторные) и входные (эмиттерные) для схем ОБ и ОЭ. Предельные режимы по постоянному току.

Литература: [1, § 1.3], [3], [2, § 2.7], [6, § 4.1 ¸ 4.3], [8].

Режим малого сигнала (малых приращений DI , DU). Внутренние малосигнальные параметры транзистора: r_э, r_б, a(b), r_k(r_k*), C_k(C_k*). Т-образная эквивалентная малосигнальная схема транзистора ОБ и ОЭ с использованием внутренних малосигнальных параметров. Зависимость внутренних малосигнальных параметров от режима (I_k, U_k) и от температуры.

Литература: [1, § 1.3], [3], [2, § 2.7], [6, § 4.4 ¸ 4.7], [8].

Четырехполюсниковые малосигнальные параметры - h-параметры транзистора. Эквивалентная схема транзистора с использованием h-параметров (малосигнальная). Достоинства и недостатки h-параметров. Связь h-параметров с внутренними малосигнальными параметрами. Определение h-параметров по статическим характеристикам транзистора.

Литература: [1, § 1.3], [3], [2, § 2.7], [6, §4.8], [8].

Частотные свойства транзистора (инерционность). Время прохождения (пролета) базы инжектированными носителями t_a. Зависимость коэффициента передачи тока a от частоты. Барьерная емкость С_к. Граничная частота f_a.

Дрейфовый транзистор и его частотные свойства. Наличие электрического поля в базе и его роль. Время пролета t_a дрейфового транзистора и влияние электрического поля в базе на это время. Сопоставление частотных свойств (инерционности) дрейфового и бездрейфового транзисторов.

Литература: [1, § 1.3], [3], [2, § 2.7], [6, § 4.12], [8].

5. Полевые транзисторы.

Особенности полевых транзисторов. Управление выходным током при помощи электрического поля. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (унитрон). Устройство и принцип действия. Режим обеднения. Статические характеристики: стоковые (выходные) и стоково-затворные (передаточные).

МОП-транзисторы. Структура и особенности МОП-транзисторов.

МОП-транзисторы со встроенным каналом n-типа. Устройство и принцип действия. Режимы обогащения и обеднения. Статические характеристики: стоковые и стоково-затворные.

МОП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа. Устройство и принцип действия. Режим обеднения. Статические характеристики: стоковые и стоково-затворные.

Параметры полевых транзисторов. Малосигнальная эквивалентная схема.

Литература: [1, § 1.4], [3], [2, § 2.10], [6, § 5.4-5.5], [8].

6. Тиристоры.

Общая характеристика тиристоров (структура, назначение, роль). Устройство и принцип действия тиристора. Схема включения тиристора в электрическую цепь. Вольтамперная характеристика (ВАХ). Состояния "включено", "выключено". Эквивалент ключа. Процессы включения и выключения тиристора. Параметры. Разновидности тиристоров.

Литература: [1, § 1.5], [3], [2, §2.9], [6, §5.3], [8].

7. Фотополупроводниковые приборы.

Общая характеристика фотоприборов.Устройство, принцип действия, ВАХ ,схемы включения фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров

Литература: ( 4.Лекция№14)

         Контрольное задание.

    Задача № 1. Построить идеальную вольтамперную характеристику (ВАХ) кремниевого p-n-перехода для нормальной температуры и температуры 80 °С. Значение I₀ при нормальной температуре выбрать из табл.1. Предельные значения прямого тока I_пр = 0,1 А, обратного напряжения U_обр = 10 В. Определить прямое сопротивление (R_пр), статическое и дифференциальное в двух точках I ¢_пр и I ²_пр для ВАХ при нормальной температуре. Рассчитать высоту потенциального барьера (Dj), ширину обедненной зоны (l) и барьерную емкость (С_б) в равновесном состоянии и при обратном напряжении U_обр, если n_n = N_б (значение взять из табл. 1), а n_p =        = 2×10¹² см^-3.

Таблица 1

    Задача № 2. Выбрать по справочнику плоскостной выпрямительный диод. Выписать его электрические и предельно-эксплуатационные параметры. По справочным данным рассчитать прямое и обратное сопротивление диода.

    Задача № 3. По справочнику выбрать транзистор малой мощности, у которого приведены статические ВАХ. Выписать электрические и предельно-эксплуатационные данные. Графическим путем определить h-параметры.

Пример решения задачи № 1

    Как известно из теории p-n-перехода, идеальная ВАХ описывается следующим уравнением  или . Для построения прямой ветви U берется со знаком (+), а обратной – со знаком (-).

    Заготовим таблицу для построения ВАХ. Зададимся количеством точек в прямой и обратной ветви в пределах от 6 до 10. Так как предельное значение прямого тока 0,1 А, то «шаг» будет равен 10 мА, а обратное напряжение равно 10 В, то «шаг» будет равен 1 В.

Прямая ветвь

Обратная ветвь

    По полученным данным строим ВАХ и в указанных точках I ¢_пр и I ²_пр находим

;                ;

;                .

 и  берется произвольно вблизи точки I ¢_пр и I ²_пр.

    Определим высоту потенциального барьера в равновесном состоянии

.

    Высота потенциального барьера в неравновесном состоянии

.

    Ширина обедненного слоя в равновесном состоянии

.

Значения величин , ,  берутся в справочных данных.

    Ширина обедненного слоя в неравновесном состоянии

.

    Барьерная емкость в равновесном состоянии

.

    Барьерная емкость в неравновесном состоянии

.

Пример решения задачи № 2

    Выбираем по справочнику диод Д226. Это кремниевый сплавной диод используется в выпрямителях малой мощности.

Электрические параметры

    .

    .

    .             Выписываются из справочника

    .

    .

Предельные эксплуатационные параметры

    .

    .

    .             Выписываются из справочника

    .

    .

Схема включения

    ;      .

Пример решения задачи № 3

    Выбираем по справочнику транзистор КТ312А. Это кремниевый планарный транзистор n-p-n.

Электрические параметры

    .

    .

    .             Выписываются из справочника

    .

    .