Действие законов физики в работе электронных приборов

Размещено на http://allbest.ru

Введение

Основные определения, области применения и история развития электронной техники.

Электронная техника (электроника) -- это область науки и техники, связанная с изучением физических свойств, методов исследования, и практики применения устройств, основанных на взаимодействии электронов с электрическим и магнитным полями в вакууме или твердом теле.

Электронные приборы -- это элементарные электронные устройства, выполняющие определенные функции. Различают электровакуумные и твердотельные электронные приборы.

К вакуумным электронным приборам относят электронные лампы, электроннолучевые трубки и другие электровакуумные и газоразрядные приборы (магнетроны, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи и т.п.). К твердотельным приборам и устройствам относят полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, светодиоды, фотодиоды, полупроводниковые лазеры, интегральные микросхемы, устройства формирования электрических импульсов тока и напряжения и др.

Приборы, осуществляющие измерения параметров и исследования процессов, протекающих в электрических цепях и устройствах, называют электронными измерительными приборами

Аналоговая электроника -- это электронная техника, работающая с непрерывными сигналами (непрерывно меняющимися напряжениями и токами). К устройствам аналоговой электроники относятся усилители, смесители, преобразователи частоты, филь- стабилизаторы напряжения, тока, частоты, а также генераторы гармонических колебаний.

Импульсная электроника -- это электронная техника, работающая с импульсными сигналами (одиночными импульсами напряжения и тока или последовательностями импульсов). Примерами импульсных устройств являются импульсные усилители и генераторы, преобразователи напряжение--частота и т.п.

Цифровая электроника -- это электронная техника, работающая с отдельными (дискретными) значениями напряжений (токов, частот), представленных в виде цифр. К устройствам цифровой электроники относятся логические устройства, оперирующие с сигналами 0 и 1, аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, микропроцессоры, персональные вычислительные машины, сложные вычислительные устройства. Цифровая электроника тесно связана с импульсной техникой, так как сигналы в ней передаются последовательностями импульсов.

Электронная техника начала развиваться в начале прошлого века с изобретения радио.

1. Физические основы электронных приборов

Полупроводники -- это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5--2 эВ.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.

Электронно-дырочный переход - это область, которая разделяет поверхности электронной и дырочной проводимости в монокристалле.

Электронно-дырочный переход изготавливают в едином монокристалле, в котором получена достаточно резкая граница между областями электронной и дырочной проводимостей.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь -- это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n -- 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь -- это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

На рисунке изображены две граничащие области полупроводника, одна из которых содержит донорную примесь (область электронной, то есть n-проводимости), а другая акцепторную примесь (область дырочной проводимости, то есть p-проводимости).

При отсутствии приложенного напряжения наблюдается диффузия основных носителей зарядов из одной области в другую. Так как электроны это основные носители заряда, и в области n их концентрация больше они диффундируют в p-область заряжая отрицательно приграничный слой этой области. Но уходя со своего места электроны создают вакантные места - дырки, тем самым заряжая приграничный слой n-области положительно. Таким образом, через достаточно короткий промежуток времени с обеих сторон поверхности раздела образуются противоположные по знаку пространственные заряды.

Электрическое поле, создаваемое пространственными зарядами, препятствует дальнейшей диффузии дырок и электронов. Возникает так называемый потенциальный барьер, высота которого характеризуется разностью потенциалов в пограничном слое.

Электронно-дырочный переход, во внешнем исполнении реализуется в виде полупроводникового диода.

Если к электронно-дырочному переходу приложить внешнее напряжение так, что к области с электронной проводимостью подключён отрицательный полюс источника, а к области с дырочной проводимостью - положительный, то направление напряжения внешнего источника будет противоположно по знаку электрическому полю p-n перехода, это вызовет увеличение тока через p-n переход. Возникнет прямой ток, который будет вызван движение основных носителей зарядов, в нашем случае это движение дырок из p области в n, и движение электронов из n области в p. Следует знать, что дырки движутся противоположно движению электронов, поэтому на самом деле, ток течет в одну сторону. Такое подключение называют прямым. На вольт-амперной характеристике такому подключению будет соответствовать часть графика в первом квандранте.

Но если изменить полярность приложенного к p-n переходу напряжения на противоположное, то электроны из пограничного слоя начнут движение от границы раздела к положительному полюсу источника, а дырки к отрицательному. Следовательно, свободные электроны и дырки будут отдаляться от пограничного слоя, создавая тем самым прослойку, в которой практически отсутствуют носители зарядов. В результате ток в p-n переходе снижается в десятки тысяч раз, его можно считать приближённо равным нулю. Возникает обратный ток, который образован не основными носителями заряда. Такое подключение называют обратным. На вольт-амперной характеристике такому подключению будет соответствовать часть графика в третьем квандранте.

2. Вольт-амперная характеристика

Вентильные свойства р-л-перехода отображаются его вольт-амперной характеристикой, представляющей зависимость значения и направления тока от значения и полярности напряжения. При достижении обратным напряжением некоторого критического значения U_Kp обратный ток возрастает. Этот режим называется пробоем р-п-перехода.

С практической точки зрения целесообразно различать два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой не опасен для р-л-перехода: при отключении источника обратного напряжения вентильные свойства электронно-дырочного перехода полностью восстанавливаются. Тепловой пробой приводит к разрушению кристалла и является аварийным режимом.

полупроводник электрический заряд ток

Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода

Электрический пробой вызывается совместным действием двух факторов: ударной ионизацией атомов и туннельным эффектом. Ударная ионизация возникает, когда под действием обратного напряжения электроны проводимости приобретают на расстоянии, равном длине свободного пробега, энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристалла. При этом происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток возрастает.

Туннельный эффект выражается в том, что электрон с энергетического уровня области р проникает сквозь потенциальный барьер без потери энергии на такой же энергетический уровень области п. При увеличении напряжения до (U_кр вероятность таких переходов возрастает, что и приводит к увеличению обратного тока.

Туннельный эффект связан с волновыми свойствами электрона. Для электронов, у которых волна де Бройля соизмерима с размерами атомов, есть вероятность проникнуть сквозь стенку потенциального барьера (или потенциального ящика), если за барьером имеется уровень, энергия которого равна энергии исходного уровня (нет запрещенной зоны). Коэффициент «прозрачности» барьеров зависит от многих факторов.

Тепловой пробой возникает при недостаточном охлаждении кристалла. В этом случае температура р-п-перехода повышается, что приводит к увеличению генерации носителей зарядов, увеличению тока и дальнейшему повышению температуры. В конечном счете кристалл разрушается. Для борьбы с тепловым пробоем полупроводниковые приборы снабжаются устройствами, повышающими теплоотдачу.

В области р-я-перехода нарушается равномерное распределение носителей заряда в кристалле и образуется два объемных заряда разного знака. Значения этих зарядов зависят от приложенного напряжения. Эту зависимость характеризуют емкостью р-п-перехода (Q -- CU), которая увеличивается с увеличением прямого тока.

Электронно-дырочный переход составляет основу полупроводникового прибора.

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р--n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» -- наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р--n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р--л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область.

В первом случае ток не равен нулю, во втором -- ток равен нулю. Это означает, что если кр-области подключить «-» источника, а к л-области -- «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа ответы на экзамен . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, который был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р--л-перехода. Основное применение транзистора -- это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники -- микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов -- транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500 элементов Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2--5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером 6x6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без р--n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами).

Размещено на Allbest.ru