close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
1
1. Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине
1.1. Вид деятельности выпускника
Дисциплина охватывает круг вопросов относящиеся к виду деятельности выпускника: проектно-конструкторская
1.2. Задачи профессиональной деятельности выпускника
В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи профессиональной деятельности
выпускника:
 проведение предварительного технико-экономического обоснования проектов радиотехнических устройств и систем;
 сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования деталей, узлов и устройств
радиотехнических систем;
 расчет и проектирование деталей, узлов и устройств радиотехнических систем в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования;
 разработка проектной и технической документации, оформление законченных проектноконструкторских работ;
 контроль соответствия разрабатываемых проектов и технической документации стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам;
1.3. Перечень компетенций, установленных ФГОС
Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у обучающегося следующие компетенции:

готовностью учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и
вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности
(ПК-3);

способностью владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик электрических цепей (ПК-4);

способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);

способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научнотехническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и
зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);

способностью владеть элементами начертательной геометрии и инженерной графики, применять современные программные средства выполнения и редактирования изображений и чертежей и подготовки конструкторско-технологической документации (ПК-7).

способностью проводить предварительное технико-экономическое обоснование проектов
радиотехнических устройств и систем (ПК-8).
1.4. Перечень умений и знаний, установленных ФГОС
Студент после освоения программы настоящей дисциплины должен:
Знать: основные типы нелинейных компонентов и активных приборов, используемых в радиоэлектронных средствах (РЭС), их характеристики, параметры, модели, зависимости характеристик и
параметров от условий эксплуатации, возможности и особенности реализации различных приборов, компонентов и их соединений технологическими средствами микроэлектроники, типовые режимы использования изучаемых приборов и компонентов в РЭС.
Уметь: использовать активные приборы для построения базовых ячеек РЭС и применять модели
линейных и нелинейных компонентов и активных приборов при анализе поведения базовых ячеек,
экспериментально определять основные характеристики и параметры широко применяемых нелинейных компонентов и активных приборов.
2
владеть:
методикой сбора и анализа исходных данных для расчета и проектирования деталей, узлов и
устройств радиотехнических систем ;
2. Цели и задачи освоения программы дисциплины
Целью преподавания дисциплины является изучение студентами физических принципов
действия, характеристик, моделей и особенностей
использования в радиотехнических цепях основных типов активных приборов, принципов построения и основ технологии микроэлектронных цепей,
механизмов влияния условий эксплуатации на работу активных приборов и микроэлектронных
цепей.
Задачи дисциплины: получение основ знаний, позволяющих умело использовать современную элементную базу радиоэлектроники и понимать тенденции и перспективы ее развития и практического использования; приобретаются навыки расчета режимов активных приборов в электронных цепях, экспериментального исследования их характеристик, измерения параметров и построения базовых ячеек электронных цепей, содержащих такие приборы.
3. Место дисциплины в структуре ООП
Для изучения дисциплины, необходимо освоения содержания дисциплин:
«Физика», «Химия», «Радиоматериалы, радиокомпоненты», «Основы теории цепей», «Физические
основы электроники», основные разделы высшей математики.
Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания дисциплины, будут
использоваться в: «Схемотехника аналоговых устройств», «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Электропреобразовательные устройства РЭС», «Оптические устройства в радиотехнике»,«Основы компьютерного проектирования РЭС».
4. Основная структура дисциплины.
Таблица 1 – Структура дисциплины
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия, в том числе:
лекции
лабораторные работы
практические/семинарские занятия
Самостоятельная работа (в том числе курсовое проектирование)
Вид промежуточной аттестации (итогового контроля по
дисциплине), в том числе курсовое проектирование
5.
Трудоемкость, часов
Всего
Семестр
ч./ЗЕТ
№4
72 (2 ЗЕТ)
72/(2 ЗЕТ)
54
54
18
18
18
18
18
18
18
18
зачет
зачет
Содержание дисциплины
5.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи курса. Современное состояние электроники. Вклад русских и советских
ученых в развитие физических принципов построения электронных приборов.
Роль электронных приборов в радиоэлектронике, в связи и в других областях науки и техники.
Значение курса как базовой дисциплины радиотехнических специальностей.
Раздел 1.КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Тема 1.1 Физические процессы в электронно-дырочном переходе. Образование обедненного
3
слоя, условие равновесия. Энергетическая диаграмма, распределение потенциала, напряженности
электрического поля и объемного заряда в переходе. Высота потенциального барьера и ширина
перехода.
Тема 1.2 Вольт-амперная характеристика идеализированного электронно-дырочного перехода. Барьерная и диффузионная емкости перехода и их зависимость от приложенного напряжения.
Тема 1.3 Контакт металл-полупроводник. Выпрямляющий и невыпрямляющий (омический)
контакты.
Раздел 2.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Тема 2.1 Вольт-амперная характеристика реального р-п перехода. Токи генерации и рекомбинации в переходе. Виды пробоя. Объемное сопротивление базы. Влияние температуры на вольтамперную характеристику. Основные параметры диодов: дифференциальное сопротивление, сопротивление постоянному току, емкости диода. Эквивалентная схема диода.
Тема 2.2 Разновидности полупроводниковых диодов. Выпрямительные диоды, диоды Шоттки, туннельные и обращенные диоды, варикапы. Назначение, принцип действия, характеристики
и параметры.
Условные изображения и обозначения.
Раздел 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Тема 3.1 Принцип действия транзистора: физические процессы в эмиттерном переходе, базе, коллекторном переходе; распределение неосновных носителей в базе при различных режимах.
Эффект модуляции ширины базы. Токи в транзисторе. Схемы включения. Основные режимы: активный, отсечки, насыщения, инверсный. Коэффициенты передачи тока в схемах с ОЭ и с ОБ.
Тема 3.2 Физические параметры транзистора: коэффициент передачи тока, дифференциальные сопротивления и емкости переходов, объемные сопротивления областей.
Тема 3.3 Статические характеристики транзистора. Модель идеализированного транзистора
(модель Эберса—Молла). Характеристики реального транзистора в схемах с ОБ и с ОЭ. Влияние
температуры на характеристики транзистора.
Тема 3.3 Понятие малого сигнала. Транзистор как линейный четырехполюсник. Системы hпараметров и схемы замещения транзистора. Связь h-параметров с физическими параметрами
транзистора. Определение h-параметров по статическим характеристикам. Зависимость hпараметров от режима работы и температуры. Т-образная эквивалентная схема транзистора. Работа транзистора под нагрузкой. Построение нагрузочной прямой. Принцип усиления.
Тема 3.4 Особенности работы транзистора на высоких частотах. Физические процессы,
определяющие частотные параметры транзистора. Предельная и граничная частоты, максимальная
частота генерации. Дрейфовые транзисторы. Эквивалентная схема транзистора для высоких частот.
Тема 3. 5Работа транзистора в импульсном режиме. Физические процессы накапливания и
рассасывания носителей заряда. Импульсные параметры транзистора.
Тема 3.6 Разновидности транзисторов. Условные изображения и обозначения.
Раздел 4.ТИРИСТОРЫ
Тема 4.1. Устройство и классификация тиристоров. Двухтранзисторная модель тиристора.
Характеристики и параметры. Влияние тока управления на характеристики тиристора. Статические параметры тиристора. Области применения тиристоров.
Тема 4.2 Условные изображения и обозначения.
Раздел 5.ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Тема 5.1 Полевой транзистор с управляющим р-п переходом. Устройство, схемы включения. Принцип действия, физические процессы, влияние напряжений электродов на ширину р-п
перехода и форму канала. Статические характеристики, области отсечки, насыщения и пробоя р-п
перехода. Параметры полевого транзистора.
Тема 5.2 Полевой транзистор с барьером Шоттки. Устройство принцип действия. Характе4
ристики и параметры.
Тема 5.3 Полевые транзисторы с изолированным каналом. МДП-транзисторы со встроенным и с индуцированным каналами. Устройство, схемы включения. Режимы обеднения и обогащения в транзисторе со встроенным каналом. Статические характеристики.
Тема 5.4 Система у-параметров полевых транзисторов и их связи с физическими параметрами. Зависимость характеристик и параметров полевых транзисторов от температуры.
Тема 5.5 Работа полевых транзисторов на высоких частотах и в импульсном режиме. Факторы, определяющие частотные свойства. Предельная частота. Эквивалентная схема на высоких
частотах.
Тема 5.6 Области применения полевых транзисторов. Сравнение полевых и биполярных
транзисторов. Перспективы развития и применения полевых транзисторов. Условные изображения
и обозначения.
Раздел 6.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Тема 6.1 Электронная эмиссия. Виды эмиссии. Катоды электровакуумных приборов. Основные типы катодов. Прохождение тока в вакууме: ток переноса, ток смешения, полный ток. Понятие о наведенном токе.
Тема 6.2 Электрический разряд в газах. Несамостоятельные и самостоятельные разряды.
Виды самостоятельного разряда: тихий, тлеющий, дуговой. Характеристики разрядов.
Раздел 7.ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
Тема 7.1 Вакуумный диод. Принцип действия. Режим насыщения и режим ограничения тока объемным зарядом. Идеализированная и реальная характеристики диода. Статические параметры. Основные типы диодов. Области применения.
Тема 7.2 Трехэлектродная лампа. Устройство. Роль сетки в триоде. Понятие о действующем
потенциале и проницаемости сетки. Статические характеристики. Статические параметры и их
определение по характеристикам. Междуэлектродные емкости. Режим работы триода с нагрузкой,
нагрузочные характеристики, параметры режима работы с нагрузкой.
Тема 7.3 Тетроды и пентоды. Роль сеток. Действующее напряжение. Статические характеристики и параметры многоэлектродных ламп. Эквивалентные схемы ламп на низких и высоких
частотах. Мощные генераторные и модуляторные лампы. Области применения многоэлектродных
ламп. Условные изображения и обозначения.
Раздел 8.ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
Тема 8.1 Устройство электронно-лучевой трубки. Элементы электронной оптики. Управление плотностью электронного луча. Системы фокусировки луча. Отклонение луча электрическим
и магнитным полями. Чувствительность трубки к отклонению. Экраны электронно-лучевых трубок. Параметры экранов.
Тема 8.2 Типы электронно-лучевых трубок. Специальные электронно-лучевые трубки: знаковые, запоминающие, усилители яркости. Особенности устройства и режимов. Условные изображения и обозначения.
5.2. Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем дисциплины
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития характеризуется всѐ возрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности людей. Достижения в области электроники в значительной мере способствуют скорейшему решению сложнейших научно-технических проблем, повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования,
разработке эффективных технологий и систем управления, получению материалов с уникальными
свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации.
Предметом исследования в рамках электронной науки и техники является изучение законов
5
взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электромагнитными полями и разработка электронных приборов, в которых это взаимодействие используется для преобразования
электромагнитной энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации
производства, создания энергетических устройств, контрольно-измерительной аппаратуры и др.
Результаты изучения электронных процессов, а также исследования и разработка методов
создания электронных приборов и устройств приводят к созданию многообразных средств электронной техники, развитие которой происходит по двум тесно переплетающимся направлениям.
Первое направление связано с созданием электронных приборов различного назначения,
технологией их производства и промышленным выпуском.
Второе направление связано с созданием различных видов аппаратуры, систем и комплексов для решения сложнейших задач в области вычислительной техники, информатики, связи, радиолокации, телевидения и других областях научной и практической деятельности человека.
Электроника включает в себя три основных области исследований: вакуумную электронику, твѐрдотельную электронику и квантовую электронику.
Основным направлением развития вакуумной электроники является создание электровакуумных приборов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и др.), электровакуумных приборов СВЧ (магнетронов, клистронов, ламп бегущей волны и т.д.), электронно-лучевых и фотоэлектронных приборов (кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей), газоразрядных приборов (тиратронов, газоразрядных индикаторов), рентгеновских трубок и др.
Твѐрдотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств твѐрдотельных
материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и других), влияние на эти свойства
примесей и особенности структуры материала, созданием в кристалле областей с различными типами проводимости и т.д. Основным направлением твѐрдотельной электроники является полупроводниковая электроника, связанная с разработкой и изготовлением различных видов полупроводниковых приборов: диодов (выпрямительных, смесительных, параметрических и др.), транзисторов (биполярных и полевых), тиристоров, аналоговых и цифровых интегральных схем (ИС), оптоэлектронных приборов (светоизлучающих диодов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов).
Квантовая электроника связана с разработкой методов и средств усиления и генерации
электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул твѐрдых тел. Наиболее важные направления - создание оптических квантовых генераторов (лазеров),
квантовых усилителей, молекулярных генераторов. Приборы квантовой электроники используются для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, систем оптической
многоканальной связи, медицинской аппаратуры и др.
Совершенствование электронной аппаратуры, рост еѐ технико-экономических показателей
находится в прямой зависимости от совершенствования еѐ элементной базы. В таблице приведены
данные, отражающие относительное изменение некоторых важнейших характеристик электронных приборов, составлявших элементную базу ЭВМ различных поколений.
Однако на основе данных, приведѐнных в таблице, было бы неправильно сделать вывод о
неизбежности полного вытеснения электровакуумных приборов полупроводниковыми. Каждый
вид электронных приборов по отдельным показателям имеет свои, только ему присущие достоинства. Так, электровакуумные приборы, уступая полупроводниковым по уровню шумов, механической прочности, габаритным размерам, имеют неоспоримые преимущества по уровню достигаемой мощности,
Особое место занимают микропроцессоры на основе больших интегральных схем (БИС) и
СБИС (сверхбольших интегральных схем) (3-5· элементов в кристалле).
Внедрение микропроцессоров и микросхем в управление технологическими процессами
рассматривается как новый этап промышленной революции. На их основе развивается производство и применение станков с ЧПУ, промышленных роботов, систем автоматического контроля качества продукции, управление цехами и заводами.
Значительные успехи медицины по диагностике и лечению болезней были бы невозможны
без достижений электроники. Так создание компьютерного томографа дало возможность получить
6
наглядную информацию о состоянии некоторых областей человеческого организма, в хирургии
используют лазеры, в кардиологии – электронные стимуляторы.
На основе развития электроники быстрыми темпами развивается связь, радиовещание, телевидение и т.д.
Перспективы развития электроники.
Развитие электроники идѐт по двум направлениям. Первое направление связано с решением
проблем информационно-вычислительного обеспечения, второе – с проблемами получения и использования энергии. Первое направление успешно разрешается с помощью развития микроэлектроники созданием более совершенных СБИС. Энергетическое направление связано с развитием
почти всех видов электронных приборов. Наиболее перспективными для этой цели (например,
направленной передачи энергии из космоса), решения технологических задач (например, радиационного нагрева) и медицинских целей (лазерной хирургии и СВЧ терапии) являются вакуумные
СВЧ приборы (магнетроны, амплитроны) и приборы квантовой электроники (лазеры).
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает
проводимостью n-типа, а другая p-типа, называется электронно-дырочным переходом (p-nпереходом). Он является основой большинства полупроводниковых приборов. Наиболее широко
применяются плоскостные и точечные p-n-переходы.
Рассмотрим физические процессы в плоскостном p-n-переходе. Поскольку концентрация
электронов в полупроводнике n-типа значительно больше, чем в полупроводнике p-типа и, напротив, в полупроводнике p-типа высокая концентрация дырок, то на границе раздела полупроводников создается перепад (градиент) концентрации дырок и электронов.
Это вызывает диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область и дырок в
противоположном направлении. Плотности дырочной и электронной составляющих диффузионного тока, обусловленных перемещением основных носителей, определяются выражениями:
В результате ухода электронов из приконтактной области n-типа и дырок из приконтактной
области p-типа на этих участках образуется обедненный от подвижных носителей заряда слой и
появляется нескомпенсированный положительный заряд за счет ионов донорной примеси (в приконтактной области n-типа) и отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси (в приконтактной области p-типа).
Обедненный слой представляет таким образом область полупроводника с соответствующей
плотностью объемного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля.
Поскольку обедненный слой обладает малой электропроводностью, так как в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда, его еще называют запирающим слоем.
Под действием электрического поля через p-n-переход могут перемещаться (дрейфовать)
лишь неосновные носители, т. е. дырки из полупроводника n-типа и электроны из полупроводника
p-типа, которые обусловливают дрейфовый ток. Плотность дырочной и электронной составляющих дрейфового тока можно определить, воспользовавшись значениями проводимостей собственного полупроводника из выражения
Общая плотность тока через p-n-переход определяется суммой диффузионных и дрейфовых
составляющих плотностей токов, которые при отсутствии внешнего напряжения равны. Так как
диффузионный и дрейфовый потоки зарядов через p-n-переход перемещаются во встречном
направлении, то они компенсируют друг друга.
Наличие двойного электрического слоя обусловливает возникновение в p-n-переходе контактной разности потенциалов, претерпевающей наибольшее изменение на границе полупроводников n-p-типов и называемой потенциальным барьером φк. У германиевых переходов φк = (0,3 –
0,4) В, у кремниевых φк = (0,7 – 0,8) В.
Если подключить к p-n-переходу источник внешнего напряжения таким образом, чтобы
плюс был приложен к области полупроводника n-типа, а минус – к области полупроводника p-типа
(такое включение называют обратным, то обедненный слой расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки смещаются от p-n-перехода в разные стороны. При
этом высота потенциального барьера также возрастает, поскольку напряжение внешнего смещения
включено согласно контактной разности потенциалов.
7
Так как напряжение внешнего источника прикладывается встречно контактной разности
потенциалов, то потенциальный барьер снижается на
величину и создаются условия для инжекции основных носителей – дырок из полупроводника pтипа в полупроводник n-типа, а электронов – в противоположном направлении. При этом через pn-переход протекает
большой прямой ток, обусловленный основными носителями заряда. Дальнейшее снижение потенциального барьера ведет к росту прямого тока при неизменном значении обратного дрейфового
тока.
В процессе технологической обработки кристалла примесь вводится таким образом, что ее
концентрация, а следовательно, концентрация основных носителей в одной из областей кристалла
(обычно в полупроводнике p-типа) на два-три порядка превышает концентрацию примеси в другой
области. Область с высокой концентрацией примеси (низкоомная область) является основным источником носителей подвижных зарядов через p-n-переход и называется эмиттером. Область с
низкой концентрацией примеси является высокоомной и называется базой.
Поэтому доминирующей составляющей прямого тока, протекающего через p-n-переход и
состоящего из электронной и дырочной составляющих, будет та, которая определяется основными
носителями зарядов области с более высокой их концентрацией
Iпр = Ip + In = I0 (eUпр /φк - 1).
При |Uпр| >> φк переход по существу исчезает и ток ограничивается лишь сопротивлением
(единицы и даже десятки Ом) базовой области rб.
Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области
перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных
атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока. Однако объемные заряды создают
электрическое поле, которое, в свою очередь, самым существенным образом влияет на движение
свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.
Изменение внешнего напряжения, приложенного к p-n-переходу, изменяет величину объемного пространственного заряда обедненного слоя. Следовательно, p-n-переход ведет себя как
плоский конденсатор.
Изменение заряда в p-n-переходе может быть вызвано также изменением концентрации инжектированных неравновесных носителей в базе при прямом смещении p-n-перехода. Отношение
величины изменения инжектированного заряда к величине изменения прямого напряжения определяет
диффузионную
емкость p-n-перехода:
Сдиф = дQинж/дU. Диффузионная емкость превышает барьерную при прямом смещении p-nперехода, однако имеет незначительную величину при обратном смещении
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан на использовании свойств электронно-дырочного перехода или поверхностного
потенциального барьера кристалла полупроводника.
Как правило, полупроводниковые диоды представляют собой структуру, состоящую из областей p и n-типа, имеющих различную концентрацию примесей и разделенных электроннодырочным переходом. Область с высокой концентрацией примеси (порядка 1018см-3) называют
эмиттером. Область с низкой концентрацией примеси (порядка 1014 – 1016 см-3) называют базой.
Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. По конструкционному исполнению диоды делятся на плоскостные и точечные. У плоскостных диодов линейные размеры, определяющие площадь р-п перехода значительно больше
толщины перехода, у точечных размеры перехода, определяющие их площадь меньше толщины
области объемного заряда. По технологии изготовления диоды подразделяются на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.
Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:
постоянный обратный ток диода (Iобр) – значение постоянного тока, протекающего через
диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;
8
постоянное обратное напряжение диода (Uобр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;
постоянный прямой ток диода (Iпр) – значение постоянного тока, протекающего через диод
в прямом направлении;
постоянное прямое напряжение диода (Uпр) – значение постоянного напряжения на диоде
при заданном постоянном прямом токе;
Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры –
параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:
максимально допустимая рассеиваемая мощность (Рmах);
максимально допустимый постоянный прямой ток (Iпр. mах), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;
максимально допустимое постоянное обратное напряжение (Uобр. mах);
дифференциальное сопротивление (rдиф);
минимальная (Тмин) и максимальная (Тmах) температуры окружающей среды для работы
диода.
Система обозначения полупроводниковых диодов состоит из буквенных и цифровых элементов. Первый элемент – буква или цифра, обозначающая материал, из которого изготовлен диод: «Г» или «1» - германий или его соединения, «К» или «2» - кремний или его соединения, «А»
или «3» - соединения галлия; второй элемент – буква, определяющая подкласс прибора; третий –
число, характеризующее назначение прибора; четвертый – номер разработки; пятый – буква русского алфавита, характеризующая специальные параметры диода.
Выпрямительные плоскостные диоды. Выпрямительными диодами называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. В обозначениях выпрямительных диодов второй является буква «Д».
По величине выпрямленного тока выпрямительные диоды делятся на три группы:
- маломощные (ток до 1 (0,3)А);
- средней мощности (ток от 1(0,3) до 10 А);
- мощные (ток свыше 10 А).
Статические параметры выпрямительных диодов.
Выпрямительные диоды характеризуются следующими статическими параметрами:
1. Наибольшая допустимая амплитуда обратного напряжения Uобр – значение обратного
напряжения, которое диод способен выдержать в течение длительного времени.
2. Средний выпрямленный ток Iпр – среднее за период значение прямого тока.
3. Обратный ток Iобр при некоторой величине обратного напряжения.
4. Падение напряжения Uпр на диоде при некотором значении прямого тока через диод.
5. Рабочий диапазон температуры.
К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики:
1. Время восстановления обратного напряжения tвос;
2. Время нарастания прямого тока tнар;
3. Граничная частота fгр, до которой возможна работа без существенного снижения выпрямленного тока.
Помимо дискретных выпрямительных диодов в радиоэлектронной аппаратуре находят
применение выпрямительные блоки, конструктивно представляющие собой завершенное устройство, состоящее из нескольких выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме. В
высоковольтных выпрямителях используются выпрямительные столбы, состоящие из последовательно соединенных выпрямительных диодов.
Варикапы – это полупроводниковые приборы, в которых используется барьерная емкость
р-п переходов. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и уменьшается с его увеличением. Основной характеристикой варикапов является вольт-фарадная характеристика С = f(uобр).
9
В обозначения варикапов второй является буква «В», третий элемент – цифра, обозначающая назначение варикапа «1» - подстроечный, «2» - умножительный.
Основные параметры варикапов:
- Емкость варикапа СВ –емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном значении обратного напряжения. Для разного типа варикапов эта емкость может быть от нескольких
единиц до нескольких сотен пикофарад.
- Коэффициент перекрытия по емкости КС – отношение емкостей варикапа для двух заданных значений обратного напряжения (чаще берут отношение максимальной емкости к минимальной). Значение этого параметра составляет несколько единиц.
- Добротность варикапа QB – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной
частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Значение добротности от нескольких десятков до нескольких сотен.
- Температурный коэффициент емкости αс – относительное изменение емкости при изменении температуры на один градус.
Стабилитроны – полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При
обратном включении полупроводникового диода возникает лавинный пробой р-п перехода, при
этом в широком диапазоне изменения тока через переход напряжение на нем практически не меняется. Эта особенность стабилитронов используется для стабилизации напряжения. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним
включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает
предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним
или несколькими р-п переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три и более выводов.
По характеру переноса носителей заряда различают биполярные и униполярные (полевые)
транзисторы. В биполярных транзисторах перенос заряда осуществляется основными и неосновными носителями, а в полевых – носителями одного знака.
Система обозначения транзисторов состоит из буквенных и цифровых элементов. Первый
элемент – буква или цифра, обозначающая материал, из которого изготовлен диод: «Г» или «1» германий или его соединения, «К» или «2» - кремний или его соединения, «А» или «3» - соединения галлия; второй – буква, характеризующая подкласс прибора: «Т» - биполярный транзистор,
«П» - полевой. После этих букв помещается число, условно характеризующее частотные свойства,
мощность и номер разработки транзистора. Последний элемент – буква, определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии. Допускается введение в
обозначение дополнительных знаков, характеризующих отдельные конструктивные особенности
транзисторов.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Биполярным транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой р-п перехода. Он представляет собой трехслойный полупроводниковый монокристалл с чередующимся типом электропроводности. В зависимости от
последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают п-р-птранзисторы и р-п-р-транзисторы.
Биполярный транзистор является активным прибором, позволяющим осуществлять усиление электрических сигналов. В конкретных электронных схемах он включается как четырехполюсник, у которого имеются входная и выходная цепи. При этом один из электродов транзистора
является общим. Возможны три схемы включения транзисторов: схема с общей базой, схема с общим эмиттером, схема с общим коллектором .
Различают четыре режима работы транзистора:
10
- активный (линейный, усилительный), при этом эмиттерный переход открыт, коллекторный переход закрыт;
- инверсный, эмиттерный переход закрыт, коллекторный - открыт;
- насыщения, оба перехода открыты;
- отсечки, оба перехода закрыты.
Рассмотрим принцип действия транзистора в активном режиме на примере п-р-п транзистора, включенного по схеме с общей базой.
Напряжения между электродами транзистора связаны зависимостью
uкэ  uкб  uбэ .
При работе транзистора в активном режиме обычно всегда uэб<< uкб , следовательно, uкэ≈
uкб.
Через низкий потенциальный барьер в эмиттерном переходе электроны переходят в базу,
диффундируют через нее, достигают коллекторного перехода, попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода и переносятся этим полем в область коллектора. Перемещаясь через базу,
часть электронов рекомбинирует с дырками.
Ток эмиттера состоит из электронной и дырочной составляющей тока. Доля электронной
составляющей тока оценивается эффективностью эмиттера γ
i
  эп .
iэ
Чтобы повысить эффективность эмиттера, необходимо уменьшить дырочную составляющую тока, что достигается уменьшением концентрации примеси в базе и увеличением ее концентрации в эмиттере.
В базе поток электронов разделяется на две части: первая достигает коллекторного перехода, вторая рекомбинирует с дырками. Долю электронов, инжектированных в базу и достигших
коллектора, оценивают коэффициентом переноса
i
  кn .
iэп
Чтобы увеличить коэффициент переноса, необходимо уменьшить ширину базы и концентрацию примесей в ней.
Ток коллектора создается электронами, покинувшими эмиттер и достигшими коллектора, а
также неосновными носителями заряда. Ток, образованный неосновными носителями заряда, -IКБ0. Таким образом, для схемы с общей базой
iк   iэ  I КБ 0  iэ  I КБ 0 ,
где α – коэффициент передачи тока эмиттера.
i I
  k КБ 0 .
iэ
Ток базы в схеме с общей базой является результатом побочных эффектов: рекомбинацией,
перемещением дырок из базы в эмиттер, перемещением неосновных носителей.
Три тока транзистора связаны соотношением
iэ  iк  iб .
Тогда
iб  1   iэ  I КБ 0
Для схемы с общим эмиттером входным является ток базы, тогда ток коллектора можно
определить выражением
iк 
I

iб  КБ 0  iб  I КЭ 0 ,
1
1
где β – коэффициент передачи тока базы.
Полученное соотношение выражает выходной ток (iк) транзистора через входной ток (iб) в
схеме с общим эмиттером. IКЭ0 – ток, протекающий в цепи коллектора в схеме с общим эмиттером
при оборванной цепи базы. Ток IКЭ0 примерно в 100 раз превышает ток IКБ0
11
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Статические характеристики устанавливают связь между постоянными входными и выходными токами и напряжениями и представляются в виде графиков.
Характеристики зависят от схем включения транзисторов. В справочниках обычно приводят типовые семейства характеристик для двух схем включения – с общим эмиттером (ОЭ) и общей базой (ОБ). Характеристики для схем с ОК неудобны для практического применения.
Входные характеристики транзистора с общей базой. Входными характеристиками транзистора, включенного по схеме с общей базой называют семейство характеристик, выражающих
зависимость Uэб = f(Iэ). В качестве параметра семейства характеристик используется напряжение
Uкб. Вольтамперная характеристика при Uкб=0 аналогична характеристике диода в пропускном
направлении: ток эмиттера экспоненциально возрастает с увеличением напряжения на эмиттере.
Увеличение отрицательных значений Uкб вызывает смещение кривых к оси токов. Это смещение
наиболее заметно при малых напряжения, при напряжениях порядка нескольких вольт кривые
сливаются в одну. Это смещение вызвано двумя причинами. Во-первых, при повышении отрицательного напряжения коллектора уменьшается ширина базы и увеличивается градиент концентрации дырок в базе, что приводит к возрастанию тока эмиттера. Во-вторых, при повышении отрицательного напряжения Uкб увеличивается обратный ток коллектора, что приводит к увеличению результирующего напряжения на эмиттерном переходе.
Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером. Семейство выходных характеристик Iк = f(Uкэ) снимается при постоянных токах базы.
Это связано с тем, что из-за малого входного сопротивления транзистора источник переменного входного напряжения, имеющий, как правило, большое внутреннее сопротивление, работает в режиме источника тока. Таким образом, входной ток считается заданным, и удобнее вести
расчеты с помощью выходных характеристик.
По сравнению с выходными характеристиками транзистора в схеме с общей базой они
имеют больший наклон. Это объясняется более сильной зависимостью коэффициента передачи
тока базы от напряжения Uкэ. Первая характеристика при Iб = 0 напоминает кривую обратного
тока полупроводникового диода. Она соответствует условию разомкнутой цепи базы, при котором
в цепи коллектора протекает ток IКЭ0. Ток эмиттера, а, следовательно, и ток коллектора при постоянном токе базы возрастает при увеличении Uкэ. Начальные участки выходных характеристик сходятся в начало координат, так как при Uкэ=0 разность потенциалов на коллекторном переходе равна нулю, а следовательно, равен нулю и ток коллектора.
Входные характеристики транзистора с общим эмиттером. Они представляют собой зависимость I б (U бэ ) при неизменном напряжении Uкэ. Взаимное расположение входных характеристик, как и в схеме с общей базой зависит от напряжения коллектора. Однако входные характеристики в схеме с ОЭ, снятые при больших значениях напряжения Uкэ, располагаются дальше от оси
токов, чем характеристики при меньших значениях Uкэ. При Uкэ =0 входная характеристика подобна характеристике прямого тока полупроводникового диода. При Uкэ >0 характеристика сдвигается вправо, ток базы уменьшается и при малых значениях Uбэ становится отрицательным. Влияние
напряжения Uкэ на величину входного тока практически прекращается при напряжениях, больших
0,1…0.2 В.
СИСТЕМА h –ПАРАМЕТРОВ
Примем за независимые переменные ток i1 и напряжение u2, тогда функциональную связь
между токами и напряжениями можно записать в виде u1 = f(i1,u2), i1 = f(i1,u2). Полные дифференциалы этих функций запишутся в виде
u
u
du1  1 di1  1 du2 ;
i1
u2
di2 
i2
i
di1  2 du2 .
i1
u2
12
Обозначим частные производные перед независимыми переменными символами h11, h12, h21,
h22, тогда уравнения четырехполюсника запишутся в виде
du1  h11di1  h12du2 ;
di2  h21di1  h22du2 .
Отсюда вытекает смысл h –параметров:
du
- входное сопротивление транзистора;
h11  1
di1 при du  0
2
h12 
h21 
h22 
du1
du2
при di1  0
di2
di1
при du2  0
di2
du2
- коэффициент обратной связи по напряжению;
- дифференциальный коэффициент передачи тока;
- выходная проводимость транзистора.
при di1  0
На практике численные значения параметров определяют по статическим характеристикам
транзистора, заменяя бесконечно малые приращения токов и напряжений конечными. Параметры
зависят от схемы включения транзистора, что отмечается третьим индексом: э, б, к.
Рассмотрим определение параметров на примере схемы с ОЭ.
ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРА
При работе транзистора на высоких частотах начинают проявляться инерционные свойства
транзисторов. Это связано с тем, что время пролета электронов через базу является конечным,
кроме того, происходит перезарядка емкостей переходов. Все это приводит к тому, что уменьшается амплитуда входного тока и возникают фазовые сдвиги между токами и напряжениями.
Для анализа работы транзистора воспользуемся физическими Т-образными схемами. Физические эквивалентные схемы, в отличие от формальных схем, отражают внутреннюю структуру
транзистора и составляются для переменных сигналов.
С ростом частоты модуль h
ся в
h21б .
2
21б
уменьшается. Частоту, на которой модуль
h21б
уменьшает-
раз называют предельной частотой коэффициента передачи тока эмиттера и обозначают
Для улучшения частотных свойств необходимо, чтобы база транзистора была узкой. У современных транзисторов она составляет порядка 1 мкм. Транзисторы п-р-п предпочтительнее р-п-р
транзисторов, потому что коэффициент диффузии электронов примерно вдвое больше, чем коэффициент диффузии дырок.
Улучшить частотные свойства транзистора можно, уменьшая время пролета за счет создания в базе ускоряющего поля, что достигается неравномерным распределением примесей (дрейфовые транзисторы).
На частотные свойства транзистора кроме диффузионной емкости эмиттерного перехода Сэ,
характеризующей инерционность процессов в базе, влияет барьерная емкость коллекторного перехода Ск. Через эту емкость, подключенную параллельно генератору тока h21I э , на высоких частотах ответвляется часть тока, вследствие чего уменьшается ток коллектора во внешней цепи транзистора.
РАБОТА ТРАНЗИСТОРА В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ
При работе транзистора в импульсных схемах различают режимы малого и большого сиг13
налов. При подаче на базу импульсных сигналов малой величины транзистор работает в активном
режиме. В этом случае происходит усиление импульсных сигналов и соблюдается линейная зависимость между напряжениями входного и выходного сигналов. Такой режим характерен для усиления телевизионных сигналов.
Работа транзистора в режиме больших импульсных сигналов (такой режим называют ключевым) характерна для цифровых интегральных схем. В этом случае транзистор выполняет функции электронного ключа: он может находиться либо в закрытом состоянии (отсечка), либо в открытом (насыщение). Качество работы электронного ключа оценивается скоростью переключения,
то есть временем его перехода из одного состояния в другое.
Для уменьшения времени включения необходимо увеличивать ток базы и повышать граничную частоту транзистора.
ТИРИСТОРЫ
Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя или более р-п переходами, на вольтамперной характеристике которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Диодный тиристор (динистор) – двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три рп перехода. Крайняя область р называется анодом, а крайняя область п – катодом.
Четырехслойную структуру динистора можно рассматривать как совокупность двух транзисторов типа р-п-р и п-р-п, соединенных между собой.
При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго,
а коллекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря такому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.
Если на анод подать положительное напряжение, то переходы J1 и J3 будут смещены в прямом направлении, а переход J2 – в обратном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу J2. Вследствие этого в структуре возникает поток электронов, перемещающийся из
электронного эмиттера (Э2) через дырочную базу (Б2) в электронную базу Б1, и поток дырок, перемещающийся из дырочного эмиттера Э1 через электронную базу Б1 и коллекторный переход в дырочную базу Б2. Некоторая часть носителей заряда рекомбинирует в соответствующих базах, поэтому через коллекторный переход будет протекать ток
I J 2  1I э1   2 I э 2  I к 0 .
Здесь α1 и α2 – интегральные коэффициенты передачи токов, Iк0 – ток утечки коллекторных
переходов (ток генерации).
Ток во внешней цепи равен I J 2  I э1  I э 2  I , поэтому I  (1  1   2 )  I к 0 . Отсюда получим значение внешнего тока
I
Iк0
.
1  1   2 
Пока выполняется условие (α1+α2)<1 ток в динисторе будет равен Iк0. Если же сделать
(α1+α2)≥1, то динистор включается и начинает проводить ток. Таким образом получено условие
включения динистора. Для увеличения коэффициентов передачи тока существует два способа.
Первый – увеличение напряжения на динисторе. С ростом напряжения при U=Uвкл один из транзисторов будет переходить в режим насыщения. Коллекторный ток этого транзистора, протекая в
цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний в свою очередь увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения.
После включения транзисторов динистор замкнется, и ток I будет ограничиваться только
сопротивлением внешней цепи.
Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения Iвыкл или поменяв полярность
напряжения на аноде.
Триодный тиристор или тринистор отличается от динистора наличием вывода от одной из
14
баз. Этот вывод называют управляющим электродом. Его наличие позволяет управлять током одного из эмиттеров. Если подать в одну из баз ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.
В зависимости от расположения управляющего электрода тиристоры делятся на тиристоры
с анодным управлением и тиристоры с катодным управлением.
При увеличении тока управления снижается напряжение включения. После включения
управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Выключить тиристор можно размыканием цепи, или понизив ток в нем до
значения Iвыкл, или поменяв полярность напряжения на аноде.
Условное обозначение тиристоров и динисторов содержит информацию о материале полупроводника (буква К), обозначении типа прибора (Н – динистор, У – тиристор), классе по мощности (1 – ток анода меньше 0,3 А, 2 – ток анода больше 0,3 А), порядковом номере разработки.
Например
КН102 – кремниевый, малой мощности, динистор; КУ202 – кремниевый тиристор большой мощности.
К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся:
- допустимое обратное напряжение Uобр;
- напряжение в открытом состоянии при заданном прямом токе Uпр;
- допустимый прямой ток Iпр;
- время включения tвкл и выключения tвыкл.
При включении тиристора током управления после подачи импульса тока в управляющий
электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристора. Процесс нарастания
тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки tзд, которое зависит от амплитуды
импульса тока управления Iyt.
Затем в течение времени лавинного нарастания происходит нарастание тока через прибор.
Это время зависит от начального прямого напряжения Uпр0 на тиристоре и прямого тока Iпр через
включенный тиристор. Включение тиристора обычно осуществляют импульсом тока управления,
для надежного включения необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда, длительность, скорость нарастания отвечали определенным требованиям, которые обеспечивают включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна
быть такой, чтобы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удерживания.
Симистор – это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях
переменного тока. Структура симистора и его схематическое обозначение приведены на рис.2.37.
Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом электропроводности.
Основные характеристики симисторов и система обозначений такие же как у тиристоров.
Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Устройство и принцип действия полевых транзисторов. Униполярными или полевыми
транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Токопроводящий канал соединяет две сильнолегированные области.
Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, область, в которую они
входят, называется стоком, электрод, на который подается управляющее напряжение, называется
затвором.
В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делятся на две группы: с
управляющим р-п переходом и с изолированным затвором.
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ Р-П ПЕРЕХОДОМ
В таких транзисторах проводимость канала, соединяющего исток со стоком, изменяется пу15
тем изменения толщины р-п перехода. Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется каналом п – типа, а если дырочную – р-типа.
На кремниевой подложке р-типа создается карман с электронной электропроводностью, в
котором формируются две сильнолегированные области п+-типа, выполняющие функции истока и
стока. Над слоем п-типа формируется слой р-типа, выполняющий функцию затвора.
Концентрация примеси в затворе значительно превышает концентрацию примеси в канале,
поэтому переход почти целиком расположен в канале. Толщина канала зависит от отрицательного
напряжения на затворе. Чем больше это напряжение, тем больше толщина перехода, тем меньше
толщина канала и его проводимость.
При некотором напряжении на затворе uзи = uотс, называемом напряжением отсечки, канал
полностью перекрывается. При подаче на сток положительного напряжения uси в канале возникает
ток ic, создающий падение напряжения вдоль канала u(x), вследствие чего толщина канала зависит
от координаты х.
При небольших значениях uси канал вдоль оси х постепенно сужается. При некотором значении напряжения uси= uнас, называемом напряжением насыщения, канал у стока полностью перекрывается. При uси> uнас участок перекрытия расширяется, а проводящая часть канала укорачивается. В этом режиме внешнее напряжение uси перераспределяется между каналом и областью перекрытия. На проводящем участке канала напряжение сохраняется равным uнас, а к перекрытому
участку приложено напряжение uси- uнас. Режим работы с частично перекрытым каналом называется режимом насыщения, а с неперекрытым каналом – линейным режимом.
Расчет напряжения отсечки и напряжения насыщения.
Известно, что толщина р-п перехода зависит от напряжения, приложенного к переходу и
определяется выражением:
lnp 
20 0  u зи 
.
qN d
Толщина канала равна dk = d0 – lnp. При напряжении затвор-исток равном напряжению отсечки uзи = uотс канал полностью перекрывается, тогда dk =0, а d0 = lnp, следовательно
d0 
20 0  uотс 
.
qN d
Отсюда получаем:
qN d d02
uomc  
 0 .
20
инас  изи  иотс .
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-п переходом. На
рис.3.3 приведены статические выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом птипа. Они представляют собой зависимость тока стока от напряжения сток-исток ic=f(ucu). На том
же рисунке приведена управляющая характеристика, снятая при некотором
значении напряжения uси= uс0. Эта характеристика представляет собой зависимость тока стока от
напряжения затвор-исток.
В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, Это говорит о том, что ток
стока не зависит от напряжения на стоке.
В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое
напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.
В линейной области ток стока полевого транзистора определяется уравнением
16

ucи2 
ic  2k U пор  u зи ucи  ,
2

где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, Uпор – пороговое напряжение (или напряжение отсечки). На начальном участке линейной области (до перегиба) можно
при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, полагая uси ≈
0:
ic  2k U пор  uзи ucи .


Это выражение позволяет определить сопротивление канала в линейной области
Rc 
uси
1
.

iс
2k U пор  u зи 
Отсюда следует, что при uзи = 0 сопротивление канала будет минимальным.
Таким образом полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. При малых значениях напряжения на затворе ключ замнут, при значениях напряжения, близких к пороговому, ключ разомкнут.
В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением
ic  k U пор  uзи 
2
,
то есть полностью не зависит от напряжения на стоке. Из этого уравнения можно найти начальный
ток стока при условии uзи = 0:
2
.
ic.нач  kUпор
Отсюда следует, что коэффициент k можно определить экспериментально, измерив
начальный ток стока и напряжение отсечки:
k
ic.нач
.
2
U пор
Поскольку в области насыщения полевые транзисторы используются в основном как усилительные приборы, то для оценки их усилительных свойств определяют крутизну характеристики,
которая характеризует управляющее действие затвора
S
dic
 2k U пор  u зи .
diзи
Из этого уравнения следует, что максимальное значение крутизна имеет при uзи = 0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается.
Для малого сигнала крутизну можно определить по формуле
ic  SU зи .
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ
Полевые транзисторы с изолированным затвором изготовляются в виде структуры металлдиэлектрик-полупроводник и кратко называются МДП – транзисторами (или МОП-транзисторами,
металл-оксид-полупроводник). В таких транзисторах электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния SiO2. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны от затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом
(рис.3.6). Ток утечки канала пренебрежимо мал даже при высоких температурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен или обогащен носителями заряда. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называют индуцированным.
Если канал обогащен носителями заряда, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора приводит к обеднению канала носителями заряда. Проводимость канала может быть элек17
тронной или дырочной. Канал с электронной проводимостью называется п – каналом, с дырочной
– р-каналом.
Графическое изображение ПТИЗ изображено на рис.3.7. Канал транзистора изображается
вертикальной штриховой или сплошной линией. Штриховая линия означает индуцированный канал, сплошная – встроенный.
В транзисторе со встроенным каналом ток через канал существует при подаче на сток положительного напряжения и при нулевом напряжении на затворе. При подаче на затвор отрицательного напряжения возникает вертикальное электрическое поле между подложкой и затвором,
которое выталкивает электроны из канала, в результате чего проводимость канала
уменьшается. При положительном напряжении канал обогащается электронами, и его проводимость возрастает.
В транзисторе с индуцированным каналом при подаче на сток положительного напряжения
и нулевом напряжении на затворе проводящий канал между источником и стоком отсутствует.
При подаче на затвор
положительного напряжения возникает поперечное электрическое поле, направленное перпендикулярно поверхности полупроводника, которое выталкивает из приповерхностного слоя дырки и
притягивает электроны.
При напряжении uзи > uпор концентрация электронов на поверхности оказывается больше
концентрации дырок в объеме полупроводника, и на поверхности индуцируется канал толщиной
dк с электронной проводимостью, отделенный от подложки обедненным слоем толщиной Δ. Изменяя напряжение uзи , можно изменять толщину канала, а следовательно его проводимость.
Расчет порогового напряжения. МДП-структура представляет собой своеобразный конденсатор, одной из обкладок которого является полупроводник. При подаче на конденсатор внешнего
напряжения затвор-исток uзи на его обкладках возникают электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку. Заряд на металлической обкладке – затворе сосредоточен на
поверхности, примыкающей к диэлектрику, а заряд в полупроводнике распространяется на некоторое расстояние Δ в глубь полупроводниковой подложки.
Внешнее напряжение uзи распределяется между диэлектриком и подложкой, то есть uзи = uп
+ uд. При этом поверхность подложки, примыкающая к диэлектрику, приобретает потенциал φs.
Если uзи = uпор, то потенциал поверхности φs= φпор . Для определения порогового напряжения нужно по отдельности определить φs и uд.
Вспомним, что концентрации неосновных носителей заряда выражаются через собственную
концентрацию носителей соотношениями:
р p  ni e

WFр W F

i
WFi W F
p
n p  ni e
и
.
При подаче порогового напряжения концентрация электронов на поверхности возрастает до
значения ns = pp, при этом равновесное состояние полупроводника не нарушается, поэтому эти
формулы пригодны для расчета поверхностных концентраций
kT
рs  ni e

WFр W F
is
kT

WFis W F
p
ns  ni e
,
Поскольку в равновесном состоянии положение уровня Ферми Wp должно сохраняться
неизменным, значит при изменении концентрации электронов и дырок должно изменяться положение уровня Wis, то есть происходить искривление энергетических зон на величину
qпор  WF  WF . Положение уровня WFis определим из условия ns = pp, тогда
i
kT
kT
is
WF p W Fis  WFi  WF р .
Отсюда
W Fis  2WF р  WFi
Следовательно,
18
пор 
WFi  WFis
q
2
WFi  WF p
q
.
Учитывая, что положение уровня Ферми определяется соотношением
WF p  WFi  kT ln
Na
ni
,
получим
nop  2
kT N a
.
ln
q
ni
Статические характеристики МДП-транзисторов с индуцированным каналом. Статические выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа
показаны на рис.3.9. Ток стока зависит как от напряжения затвор-исток uзи, так и от напряжения
сток-исток. Поэтому следует рассматривать два вида характеристик: зависимость тока стока от
напряжения сток-исток ic  f ucu и зависимость тока стока от напряжения затвор-исток
 
ic  f uзu . Входной ток затвора практически равен нулю, поэтому нет смысла рассматривать
входные характеристики.
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
В вакуумной электронике используется движение носителей заряда в вакууме или разреженном газе. Электронные приборы, в которых движение носителей заряда происходит в вакууме,
называют электровакуумными, а электронные приборы, в которых движение носителей заряда
происходит в разреженном газе, называют газоразрядными. Работа этих приборов основана на явлении термоэлектронной эмиссии.
Электронной эмиссией называется процесс испускания телом электронов в окружающее
пространство. Для обеспечения выхода электронов из тела им требуется сообщить дополнительную энергию.
Существует четыре вида электронной эмиссии: термоэлектронная, электростатическая, фотоэлектронная и вторичная. При термоэлектронной эмиссии дополнительная энергия сообщается
электронам путем нагревания тела. Электростатическая эмиссия возникает за счет большой
напряженности электрического поля у поверхности тела. При фотоэлектронной
эмиссии поверхность тела подвергается освещению. Вторичная эмиссия появляется в результате
воздействия электронного потока первичной эмиссии на поверхность тела, при этом из него выбиваются вторичные электроны.
В большинстве электронных приборов для создания электронного потока применяется термоэлектронная эмиссия. Электрод, создающий
поток электронов называется катодом. Ток термоэлектронного катода зависит от его температуры.
Рабочая температура у разных катодов имеет значения 700…2300оС. При увеличении рабочей температуры повышается эффективность катода, поэтому для усиления эмиссии иногда несколько повышают накал, но это приводит к сокращению долговечности.
Эффективность катода характеризуется отношением предельного тока катода к мощности,
затрачиваемой на его нагрев до рабочей температуры, и измеряется в мА/Вт.
Довольно важным показателем катода является его долговечность, которая характеризует
его эксплуатационные свойства. Обычно долговечность катода определяют по снижению тока
эмиссии на 20% от номинального значения. Для обеспечения долговечности катода и стабильности его параметров предельный ток катода выбирается значительно меньше, чем ток эмиссии.
Катоды бывают прямого и косвенного накала. Катоды прямого накала выполняют из тугоплавкого металла – вольфрама или молибдена. Катоды косвенного накала состоят из подогревателя
и керна, на который наносится металл с малой работой выхода электронов, обычно барий. Рабочая
19
температура подогревных катодов значительно ниже температуры катодов прямого накала, поэтому их эффективность более высокая.
В процессе работы происходит окисление поверхности катода, при этом удельная работа
выхода увеличивается.
Простые катоды, то есть катоды из чистых металлов (вольфрам, реже тантал) имеют прямой накал. Рабочая температура вольфрамовых катодов 2100…2300оС. Достоинства вольфрамовых катодов – устойчивость эмиссии, стойкость к ионной бомбардировке. Недостаток – низкая
эффективность.
Сложные катоды имеют активированный слой на поверхности чистого металла, который
обеспечивает интенсивную эмиссию при сравнительно невысоких температурах (порядка 700оС).
Достоинство сложных катодов – экономичность и долговечность. Недостаток – невысокая устойчивость эмиссии и способность разрушаться от ионной бомбардировки.
Сложные катоды могут быть пленочными или полупроводниковыми. Пленочный представляет собой вольфрамовую проволоку с пленкой тория и с примесью углерода. Полупроводниковый (оксидный) катод состоит из никелевого или вольфрамового основания, на который наносится смесь оксидов щелочноземельных металлов.
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ДИОД
Вакуумный диод – это электронная лампа, которая содержит два электрода – катод и анод.
Оба электрода помещают в стеклянный или керамический баллон, из которого откачивают воздух.
При нагревании катода возникает термоэлектронная эмиссия. Если напряжение на аноде
положительно относительно катода, то электроны, эмитируемые катодом, движутся к аноду, создавая анодный ток. При отрицательном напряжении на аноде тока нет, следовательно, диод проводит только в одном направлении, что определяет его основное назначение – выпрямление переменного тока.
Рассмотрим плоскую конструкцию диода. Между электродами действует анодное напряжение U a  a  к . Под действием этого напряжения на аноде и катоде возникают заряды qa и qк,
создающие
внешнее
электрическое
поле.
Заряд
qa
определяется
соотношением
qa  Cka a  k  CkaU a , где Ска – емкость между катодом и анодом. Заряд qк определяется




соотношением qa  Cka k  a  CkaU a . Эти заряды создают между анодом и катодом
однородное электрическое поле. Электроны, заполняющие пространство между катодом и анодом,
создают поле пространственного заряда. При этом следует иметь в виду, что отрицательные заряды электронов наводят на электродах заряды противоположного знака, поэтому поле пространственного заряда создается не только пространственным зарядом электронов, но и наведенными на
электродах положительными зарядами. Величина потенциала поля определяется результирующим
действием как пространственных, так и наведенных зарядов.
Для практических целей важным параметром диода является анодная характеристика, то
есть зависимость тока анода от напряжения на нем. Теоретически считается, что для многих конструкций диода ток анода пропорционален напряжению в степени три вторых
I a  GUa3 / 2 ,
где Ua – напряжение на аноде, G – коэффициент, зависящий от размеров анода и конструкции
лампы. Это уравнение называют законом «трех вторых».
Для практического использования диода важно знать его внутреннюю дифференциальную
проводимость, которая называется крутизной характеристики
dI
3
S  a  GU a3 / 2 .
dU a 2
В справочных данных указывают следующие параметры диодов:
- ток эмиссии катода;
- внутреннее сопротивление Ом;
- емкость между анодом и катодом;
- предельная частота МГц.
20
Кроме этого приводятся другие характеристики, существенные для применения данного
типа диода. Так, например, для детекторного диода указывается начальный ток диода при закороченных аноде и катоде. Этот ток обусловлен кинетической энергией эмитируемых электронов, которые достигают анода даже при отсутствии на нем положительного напряжения.
Для кенотронов и выпрямительных диодов приводят значение предельно допустимого обратного
напряжения (отрицательного) напряжения на аноде.
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ТРИОД
Триодом называют электронную лампу, у которой между анодом и катодом расположен
еще один электрод, называемый сеткой.
Этот электрод предназначен для регулирования тока анода. Если на сетку подать напряжение, то между анодом и катодом изменяется электрическое поле, что влияет на величину тока. Если напряжение на сетке отрицательно по отношению к катоду, то сетка оказывает тормозящее действие на электроны, эмитируемые катодом, в результате анодный ток уменьшается. При положительном напряжении на сетке она оказывает ускоряющее действие на электроны, увеличивая
анодный ток, при этом часть электронов попадает на сетку, увеличивая сеточный ток.
Для увеличения влияния на ток анода сетка располагается ближе к катоду. При отрицательном напряжении на сетке ток в ней практически отсутствует.
Для определения тока анода при наличии сетки можно совместное действие анода и сетки
заменить действием анода, помещенного на место сетки, напряжение на котором создает ток, равный току катода. Такой способ расчета называют приведением триода к эквивалентному диоду.
Внешнее электрическое поле так же, как и в диоде создается зарядами на электродах, появляющимися при подаче внешних напряжений, а поле пространственного заряда создается объемным отрицательным зарядом и наведенными положительными зарядами.
Токораспределение в триоде. Токораспределением называют процесс распределения электронного потока между электродами триода. При иc < 0 практически все электроны, покинувшие
катод, попадают на анод, и ток анода можно считать равным катодному току, а ток сетки равным
нулю. При иc > 0 некоторая часть электронов попадает на сетку, поэтому анодный ток оказывается
меньше катодного:
ia  ik .
Здесь α – коэффициент передачи катодного тока, показывающий, какая часть электронов, покинувших катод, попадает на анод.
Ток сетки тоже представляет часть катодного тока, он равен
ic  1   ik .
Количество электронов, попадающих на тот или иной электрод, определяется траекториями
их движения. Если ис = и0з, то заряд сетки равен нулю, эквипотенциальные линии параллельны
плоскости катода, а траектории движения электронов перпендикулярны ей. В этом случае электроны, выходящие из катода под проволоками сетки, попадают на сетку, а под просветами попа-


дают на анод. Коэффициент α определяется соотношением
  b p , где р – шаг сетки, b – ши-
рина участка, с которого электроны попадают на анод.
Если ис < и0з, то заряд сетки оказывается отрицательным, и эквипотенциальные линии прогибаются вниз, силы поля, направленные перпендикулярно эквипотенциальным линиям, прижимают электроны к середине просвета, и траектории электронов искривляются так, что ширина
участка b увеличивается и коэффициент α возрастает.
Если ис > и0з, то заряд сетки становится положительным, и эквипотенциальные линии прогибаются вверх, то ширина участка b уменьшается и коэффициент α становится меньше.
Если ис > иа, то на участке сетка – анод существует тормозящее поле. В это поле электроны
влетают под разными углами, и попасть на анод могут только те электроны, кинетическая энергия
которых больше энергии тормозящего поля. В этом случае часть электронов, не достигнув анода,
возвращается назад. Часть из них попадает на сетку, другая, пройдя сквозь проволоки сетки, возвращается в околокатодное пространство, увеличивая потенциальный барьер.
21
Статические характеристики характеризуют зависимость токов от напряжений на электродах.
В области отрицательных напряжений все электроны, покинувшие катод, через просветы
между проволоками сетки попадают на анод, то есть ia  ik . В этой области увеличение сеточного напряжения снижает потенциальный барьер у катода, поэтому катодный ток растет. В области
положительных напряжений часть электронов попадает на проволоки сетки. В этой области увеличение напряжения сетки сопровождается уменьшением коэффициента передачи катодного тока.
При больших положительных напряжениях наступает режим возврата электронов, повышается потенциальный барьер за счет возвращающихся в околокатодную область электронов, поэтому рост
катодного тока замедляется, ток сетки резко увеличивается, а ток анода может уменьшиться.
Рассмотрим зависимости токов от анодного напряжения при постоянном сеточном напряжении (рис.4.5,б). Как следует из закона степени трех вторых, катодный ток при положительном
напряжении на сетке возникает в области отрицательных напряжений на аноде, но в этой области
триоды не работают. Если иа = 0, то существует катодный ток, равный сеточному, а анодный ток
равен нулю. По мере роста анодного напряжения
катодный ток увеличивается за счет уменьшения возвращающихся в околокатодную область электронов (режим возврата). При этом анодный ток резко возрастает за счет увеличения коэффициента α , а сеточный резко падает. При наступлении режима перехвата рост анодного и катодного токов замедляется, а сеточный ток незначительно уменьшается. При отрицательном напряжении на
сетке α = 1, и анодный ток появляется при положительном анодном напряжении, Чем больше отрицательное напряжение сетки, тем больше анодное напряжение, при котором возникает анодный
ток.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
Электронно-лучевыми приборами называют электровакуумные приборы, в которых используется поток электронов, сфокусированный в узкий электронный луч. По назначению электронно-лучевые приборы делятся на четыре основные группы:
- Приборы, преобразующие электрический сигнал в видимое изображение;
- приборы, преобразующие оптические изображения в электрический сигнал;
- приборы для записи, считывания и хранения электрических сигналов;
- приборы, преобразующие невидимые изображения в видимые.
Электронно-лучевые приборы, имеющие форму трубки, вытянутой в направлении луча,
называют электронно-лучевыми трубками. Трубка представляет собой стеклянный баллон, в котором создан высокий вакуум и расположены электроды, формирующие электронный луч, и управляющие этим лучом. Формирование и управление лучом, осуществляется при помощи электромагнитного поля.
Электростатическая фокусировка луча. Катод представляет собой цилиндр, с вставленным
в него вольфрамовым подогревателем (рис.4.10). На торцевую поверхность цилиндра нанесен оксидный слой, который является источником электронов при нагревании цилиндра. Катод помещен
в цилиндрический модулятор, дно которого имеет отверстие, через которое проходят электроны.
Функции модулятора аналогичны функциям управляющей сетки в электронной лампе. На
него подается отрицательное напряжение относительно катода, изменяя которое можно изменять
высоту потенциального барьера вблизи поверхности катода и тем самым управлять силой тока луча.
Первый А1 и второй А2 аноды представляют собой цилиндры с отверстиями. На первый
анод подается положительное относительно катода напряжение, на второй анод – напряжение Ua2
> Ua1. Из-за различия потенциалов электродов в пространстве между модулятором и первым анодом и
модулятором и первым и вторым анодами возникают неоднородные электрические поля, которые
являются электронными линзами. Эти линзы преломляют поток электронов подобно оптическим
линзам.
22
Электроны, вылетающие с разных точек катода, влетают в поле первой линзы под различными углами. На участке левее сечения на них действуют силы, прижимающие к оси, на участке
правее сечения – отталкивающие от оси. Так как электроны пролетают через линзу с возрастающей скоростью, то преломляющее воздействие собирающей части преобладает над рассеивающей
частью. Поэтому фокусировка луча происходит в точке F1. В поле второй линзы электроны влетают в виде расходящегося пучка и фокусируются в точке F2, которая находится на экране трубки.
Изменяя напряжение на первом аноде, которое составляет сотни вольт, можно менять положение точек F1 и F2, поэтому первый анод называется фокусирующим. На второй анод подается
относительно катода постоянный потенциал (порядка нескольких киловольт), который создает
ускоряющее поле вдоль оси трубки, поэтому второй анод называется ускоряющим.
Электростатическое отклонение луча осуществляется двумя парами отклоняющих пластин. Одна пара отклоняет луч по горизонтали, другая – по вертикали. Каждая пара состоит из
двух параллельных пластин, находящихся под потенциалом второго анода Ua2, расположенных
симметрично оси трубки. Рассмотрим процесс отклонения луча на примере у-пластин.
Если к пластинам подвести отклоняющее напряжение Uу, то между пластинами возникает
однородное электрическое поле, перпендикулярное оси трубки. Одновременно электрон продолжает двигаться с постоянной скоростью вдоль оси z. В результате траекторией движения электрона
является парабола. Покинув поле пластин, электрон продолжает двигаться к экрану прямолинейно
под углом α к оси z и попадает на экран, отклонившись от этой оси на расстояние hэ.
Магнитная фокусировка луча осуществляется магнитным полем которое создается короткой электромагнитной катушкой, надетой на горловину трубки. В это поле влетает расходящийся
пучок электронов, создаваемый электронной пушкой.
В каждой точке траектории вектор магнитной индукции и скорость электрона можно разложить на две составляющие: осевые Bz и vz и радиальные Br и vr. Тогда в точке А на электрон действует сила Лоренца
 
F1  qvz Br ,
направленная перпендикулярно плоскости рисунка. Под действием этой силы появляется азимутальная составляющая скорости v1, в результате чего возникает сила Лоренца
 
F2  qv1Bz ,
направленная к оси трубки, в результате электрон приобретает радиальную составляющую скорости. При совместном действии азимутальной и радиальной составляющих силы Лоренца электрон
движется по спирали, с непрерывно уменьшающимся радиусом витка. Чем сильнее отклонился
электрон от оси трубки, тем сильнее сила F2, прижимающая его к оси. В результате электроны,
влетевшие в неоднородное магнитное поле под разными углами, описав сложные траектории, пересекают ось z на одном и том же расстоянии от катушки. Изменяя величину тока, протекающего
через фокусирующую катушку, можно добиться того, чтобы траектории всех электронов пересекались в плоскости экрана.
Магнитное отклонение луча осуществляется двумя парами отклоняющих катушек, расположенных на горловине трубки и создающих однородные магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотри отклонение в вертикальном направлении.
Экраны электронно-лучевых приборов. Экран представляет собой тонкий непроводящий
слой люминофора, нанесенного на дно стеклянной колбы. Экран бомбардируется потоком электронов, которые передают часть своей энергии атомам люминофора, атомы которого переходят в
возбужденное состояние. При возвращении атома в нормальное состояние электроны переходят на
более низкие энергетические уровни, излучая кванты света, определяющие цвет свечения экрана.
Часть электронов может покинуть люминофор, то есть происходит вторичная электронная
эмиссия. Вторичные электроны переходят на аквадаг, имеющий потенциал второго анода. Между
экраном и вторым анодом устанавливается равновесная разность потенциалов, при которой число
приходящих на экран электронов равно числу покидающих его электронов.
Яркость свечения зависит от скорости, с которой электроны бомбардируют экран, а скорость зависит от потенциала экрана Uэ.
Основные типы электронно-лучевых трубок.
23
Электронно-лучевые трубки применяются для визуального наблюдения электрических сигналов, приема и передачи телевизионных изображений, записи и хранения электрических сигналов
и т.д.
Осциллографические трубки предназначены для наблюдения электрических сигналов. Для
этой цели используются трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим отклонением луча. В таких трубках на вертикально отклоняющие пластины подается исследуемый сигнал, а на горизонтально отклоняющие – пилообразное напряжение развертки, частота которого в п
раз меньше частоты исследуемого сигнала. Для наблюдения двух сигналов используют трубки с
двумя лучами.
Кинескопы предназначены для получения на экране телевизионного изображения. В современных кинескопах используют электростатическую фокусировку луча и магнитную отклоняющую систему. Для получения телевизионного изображения используется растровая развертка, получаемая
путем пропускания через отклоняющие катушки токов пилообразной формы. Катушки, отклоняющие луч по вертикали обеспечивают кадровую развертку, а по горизонтали – строчную.
Радиолокационные трубки позволяют получить на экране изображение импульса радиосигнала, отраженного от какого-либо объекта. Для этого применяется радиально-азимутальная развертка, позволяющая получить на экране сигнал в полярных координатах. С этой целью используют магнитную отклоняющую систему, состоящую из двух катушек, через которые подается линейный пилообразный ток, создающий линейно меняющееся во времени магнитное поле, которое
отклоняет луч по радиусу от центра к периферии.
Запоминающие трубки предназначены для записи, хранения и считывания электрических
сигналов. Принцип действия этих приборов основан на зависимости потенциала диэлектрика от
энергии бомбардирующих его электронов, сто позволяет получить на поверхности диэлектрика
потенциальный рельеф. В такой трубке вместо обычного экрана имеется
мишень, состоящая из диэлектрической пластины, покрытой с одной стороны металлическим слоем (сигнальная пластина)
Трубки со знаковой индикацией на пути потока электронов содержат матрицу, представляющую собой металлическую пластину с отверстиями в форме тех или иных знаков. Размер отверстий несколько меньше диаметра луча. В результате луч, направленный в отверстие матрицы принимает форму соответствующего знака.
СОВРЕМЕННЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ.
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
Углеродные нанотрубки. Электронные компоненты на базе углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки - протяжѐнные структуры, состоящие из свѐрнутых гексагональных сеток с
атомами углерода в узлах, открытые в 1991 году японским исследователем Иджимой. Она состоит
из одного или нескольких слоѐв, каждый из которых представляет гексагональную сетку графита,
основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода. Во всех случаях расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Верхние концы трубочек закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена.
Сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометрового (молекулярного) размера. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят элементы аналогичного назначения в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров.
В результате будет достигнут теоретический предел плотности записи информации (порядка одного бита на молекулу) и вычислительные машины обретут практически неограниченную
память и быстродействие, лимитируемое только временем прохождения сигнала через прибор.
Полевой транзистор. На основе полупроводниковой или металлической нанотрубки удалось
сделать полевые транзисторы, работающие при комнатной (в первом случае) и сверхнизкой (во
24
втором) температуре. Полевые транзисторы (триоды) - электронные устройства, на перенос заряда
через которые оказывает сильное влияние внешнее (управляющее) электрическое поле, что используется в усилителях электрического сигнала, переключателях и т.п.
Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами, в качестве третьего электрода (затвора) используется кремниевый слой (а); зависимость проводимости в цепи от потенциала затвора (б).
В транзисторе на полупроводниковой нанотрубке электрическое поле управляет концентрацией носителей в зонах делокализованных состояний. В полупроводниковой нанотрубке состояния валентной зоны
отделены от состояний зоны проводимости энергетической щелью - запрещенной зоной. Из-за
наличия этой щели при обычных условиях концентрация носителей в зонах мала и нанотрубка обладает высоким сопротивлением. При подаче на третий электрод (затвор) электрического потенциала U в области нанотрубки возникает электрическое поле и изгиб энергетических зон изменяется. При этом концентрация дырок в валентной зоне (и соответственно электропроводность) возрастает по экспоненциальному закону со смещением края зоны относительно уровня Ферми. При
потенциале затвора около –6 В концентрация дырок достигает максимального значения, сопротивление - минимального, а нанотрубка становится металлической.
Проводимость металлической нанотрубки в таких условиях обусловлена тем, что электроны
перескакивают (туннелируют) с верхнего заполненного уровня катода на проводящий дискретный
уровень нанотрубки, а затем с нанотрубки на нижний незаполненный уровень анода. В пределах
нанотрубки туннелирование электрона происходит очень легко (практически без рассеяния и без
потерь энергии) за счет p-электронных состояний, делокализованных на всю длину нанотрубки.
Высокая металлическая проводимость в электрической цепи возможна в случае, если так же легко
осуществляется перенос электронов между нанотрубкой и электродами. В эксперименте это достигается возможно более точной подгонкой уровней Ферми электродов к энергии проводящего
уровня нанотрубки. Включение внешнего электрического поля при подаче электрического потенциала на третий электрод смещает электронный уровень нанотрубки, и ее сопротивление возрастает.
5.3.
Краткое описание лабораторных работ
5.3.1. Перечень рекомендуемых лабораторных работ
Лабораторная работа № 1 «Изучение лабораторного стенда и измерение параметров электрических
сигналов»
Лабораторная работа № 2 «Исследование полупроводниковые диоды»
Лабораторная работа № 3 «Исследование биполярные транзисторы»
Лабораторная работа № 4 «Исследование частотных свойств биполярного транзистора»
Лабораторная работа № 5 «Исследование полевого транзистора»
Лабораторная работа № 6 «Исследование тиристора»
Лабораторная работа № 7 «Исследование электронно-лучевой трубки»
5.3.2.
Методические указания по выполнению лабораторных работ
Лабораторная работа 1
Изучение лабораторного стенда и измерение параметров
электрических сигналов
Цель работы: изучение лабораторного стенда; измерение параметров электрических сигналов постоянного и переменного токов приборами
лабораторного стенда, осциллографом С1-73, цифровым вольтметром B7-I6A.
Оборудование и принадлежности: лабораторный стенд; осциллограф С1-73; вольтметр В716А; провода соединительные.
Порядок выполнения работы
Изучение лабораторного стенда
25
Стенд для проведения лабораторно-практических работ по электронике 87Л-01 предназначен для проведения лабораторных работ по курсу "Электроника", "Электропреобразовательные
устройства РЭС". Электропитание лабораторного стенда осуществляется от электросети переменного тока частоты 50 Гц, напряжением 220 В.
Конструктивно изделие состоит из прямоугольного металлического каркаса и осциллографа. В каркасе 1 установлены: 2- ГПИ, 3-ГНЧ, 4-ГВЧ, 5-АBMl, ABO; 6-ABM2, MB; 7- ЧМ, MB; 8блок питания. В центре каркаса установлены 9-блок коммутирующих плат ;10-плата для хранения
комплекта съемных элементов и части ЗИП и 11-плата для размещения рабочего набора съемных
элементов.
Контрольные вопросы
1 Из каких блоков состоит лабораторный стенд?
2. Какие напряжения дают источники ГН1, ГН2, ГНЗ?
3. Как измерить U, Т, t, f с помощью осциллографа?
4.Как рассчитывается абсолютная погрешность измерений?
5. Как рассчитывается относительная погрешность измерений?
Лабораторная работа 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Цель работы: исследование основных свойств p-n-перехода, вольт-амперных характеристик
и параметров германиевых и кремниевых диодов и стабилитрона.
Оборудование и принадлежности: лабораторный стенд, германиевый диод Д9, кремниевый
диод КД103, стабилитрон Д814, провода соединительные.
Порядок выполнения работы
1. Снять вольт-амперную характеристику полупроводниковых диодов. Для снятия прямых
ВАХ используется схемы.
а) получить прямую ВАХ. Для этого:
 снять зависимость напряжения от тока на диоде от 0 до 1 мА, изменяя его регулятором
ГТ через 0,2 мА, и от 1 до 5 мА через 1 мА. Результаты измерений занести в таблицу, разработанную самостоятельно.
б) Получить обратную ВАХ диодов и стабилитрона. Для этого:
 в качестве G2 использовать ГН2;
 РА2 подключить к АВО на пределе измерений 10 мкА;
 при исследовании стабилитрона в качестве измерителя тока использовать АВМ1 на пределе 50 мА;
 напряжение на диоде менять ГН2 от 0 до 10 В через 2 В.
Примечание: для снятия обратной ВАХ стабилитрона изменять напряжение регулятором
до возникновения тока пробоя, после чего изменять ток пробоя через 5 мА до 35 мА. Данные занести в таблицу, разработанную самостоятельно.
Обработка результатов измерений
1. Для каждого диода построить по экспериментальным данным прямую и обратную ВАХ.
2. Вычислить по экспериментальным характеристикам:
прямое и обратное сопротивления диода по постоянному току;
прямое и обратное дифференциальное сопротивления;
дифференциальное сопротивление стабилитрона в области стабилизации.
Точки для определения сопротивлений выбрать самостоятельно.
Контрольные вопросы
1.
Как обозначается в схеме выпрямительный диод и стабилитрон?
2.
Перечислить основные параметры диодов.
3.
Принцип работы полупроводниковых выпрямительных диодов.
4.
Виды пробоев p-n-перехода и их использование.
5.
Какими видами емкостей обладает р- n-переход ?
26
6.
Маркировка диодов.
Лабораторная работа 3
ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Цель работы: изучение статических характеристик и параметров биполярного плоскостного транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ).
Оборудование и принадлежности: лабораторный стенд, транзистор МП40, соединительные
провода.
Порядок выполнения работы
1. Подключить источники питания ГТ и ГН2, измерительные приборы во входной и выходной цепях схемы, соблюдая полярность.
Во входной цепи использовать прибор блока ИВ для измерения тока базы Iб (РА1), переключатель которого установить в положении ГТ 1 мА, прибор АВМ1 на пределе 1В для измерения
напряжения база – эмиттер (PV1).
2. Исследовать зависимость тока базы Iб от напряжения база-эмиттер Uбэ при Uкэ: 0, -5 и 7,5 В. Изменять ток базы регулятором ГТ от 0 до 500 мкА. Данные занести в таблицу, разработанную самостоятельно.
3. Исследовать зависимость тока коллектора Iк от напряжения коллектор-эмиттер Uкэ для
трех значений тока базы Iб : 100, 200 и 300 мкА. Для этого сделать следующее:
Изменять Uкэ от 0 до 15 В через 2 В до значения Iк =30 мА. Данные занести в самостоятельно составленную таблицу.
4. Исследовать передаточную характеристику транзистора. Ток базы измерить с помощью
генератора тока ГТ в пределах от 0 до 500 мкА при Uк = 5В и 10В. Данные занести в таблицу.
Обработка результатов измерений
Построить семейства входных и выходных характеристик с указанными на них областями
насыщения, отсечки и активного режима.
По полученным характеристикам рассчитать значения h-параметров для точки, соответствующей Iб =100мкА , Uкэ =5В.
Контрольные вопросы
1.
Графическое обозначение транзисторов p-n-p, n-p-n.
2.
Как маркируются транзисторы?
3.
Как устроены транзисторы р-п-р, n-p-n типов?
4.
Принцип действия транзистора.
5.
Режимы работы транзистора.
6.
Схемы включения транзистора и их особенности.
7.
Нарисовать входные и выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.
8.
Как определить h- параметры транзистора в схеме с ОЭ по характеристикам?
Лабораторная работа 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ СВОЙСТВ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Цель работы: исследование частотной зависимости коэффициента усиления транзистора
по напряжению в каскаде резистивного усилителя, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ) или по схеме с общей базой (ОБ).
Оборудование и принадлежности: лабораторный стенд, транзистор МП40, съемные элементы R1, R2; R3, C1, C2, соединительные провода, осциллограф, частотомер, генератор типа Л31.
Порядок выполнения работы
1. Отключить все приборы стенда переводом тумблеров на БП в нижнее положение.
2. В соответствии с принципиальной электрической схемой усилителя на транзисторе,
включенном с ОБ (см.рис. 14), произвести монтаж:
27
 подключить источник питания ГН2 к гнездам -Еc, X;
 подключить генератор Л31 в цепь эмиттера;
 подключить милливольтметр (ЦВ) к гнездам I, Х7 для контроля и измерения Uвых;
 подключить осциллограф;
 после настройки усилителя - частотомер к гнездам С4 на панели; вставить съемные элементы; транзистор МП40, резисторы R1=22кОм (переменный), R2=1,2кОм, RЗ=1кОм, R4=2,4кОм,
конденсатора C1 = C2= 5 мкФ.
3. После проверки схемы включить тумблер "СЕТЬ" стенда, "СЕТЬ" генератора Л3I,
"СЕТЬ" осциллографа, "СЕТЬ" милливольтметра.
4. Установить переключатель ИВ в положение ГН2. Регулятором ГН2 установить напряжение питания EК =-10В.
5. Установить на выходе генератора Л31 (lV/50  ) синусоидальное напряжение с частотой I
кГц.
6. Манипулируя переключателями и регуляторами осциллографа, получить на экране неподвижное изображение выходного сигнала усилителя. Резистором RI установить на экране осциллографа максимальную амплитуду неискаженного выходного сигнала усилителя (при невозможности получить неискаженный сигнал на выходе усилителя необходимо уменьшить амплитуду
входного сигнала от генератора ЛЗ1).
7. Отключить осциллограф и на эти гнезда подключить цифровой частотомер.
8. Исследовать частотную характеристику биполярного транзистора в схеме с ОБ согласно
данным, приведенным в таблице, при неискаженном выходном сигнале усилителя. Поддерживать
входное напряжение постоянным на всех частотах. Данные занести в табл. 1.
9. По данным табл.1 построить график зависимости нормированного Ku(f), определить fc
для схемы с ОБ.
10. В соответствии со схемой (см. рис. 14) исследовать частотную характеристику биполярного транзистора в схеме с 0Э (исследование провести в диапазоне частот до 200 кГц, причем в
интервале от 100 до 200 кГц отсчеты выполнять через 10 кГц).
11. По данным таблицы построить график зависимости нормированного Ku(f) и определить
fc для схемы с ОЭ.
Обработка результатов измерений
По результатам измерений построить графики зависимостей нормированного коэффициента усиления от частоты. По полученным графикам определить частоту среза для транзисторов,
включенных по схеме с ОБ и ОЭ.
Примечание: графики частотных зависимостей должны строиться в полулогарифмическом
масштабе. При этом по оси частот должны откладываться не значения частот, а соответствующие
им десятичные логарифмы. По результатам исследования необходимо сделать вывод.
1.
2.
3.
4.
Контрольные вопросы
Объясните принцип работы и назначения элементов усилителя.
Как определить частоту среза усилителя?
Что такое единичная частота усилителя?
От чего зависят частотные свойства биполярного транзистора?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
Цель работы: изучение принципа действия полевого транзистора, снятие и анализ характеристик, определение параметров.
Оборудование и принадлежности: лабораторный стенд, полевой транзистор KП 101, провода соединительные.
Порядок выполнения работы
1. В соответствии с принципиальной электрической схемой (см. рис. 17), произвести монтаж радиокомпонентов.
28
2. Для снятия характеристик :
ГН1- источник напряжения на затворе Uзи. Предварительно следует установить по измерителю выхода ИВ стенда "Нулевое напряжение‖ на выходе этого источника. Выходное напряжение
ГН1 регулируется в пределах от 0 до -7В, при этом его полярность противоположна указанной на
лицевой панели блока питания. Для изменения напряжения на выходе ГН1 нужно вращать его регуляторы против часовой стрелки;
G2(ГН2) - источник напряжения на стоке Uси ;
PV1(АВМ1 на пределе измерения "2,5В") - измеритель напряжения на затворе по отношению к истоку (Uзи ) ;
PA1(АВМ2 на пределах измерения "50мА", "10мА", "5мА". "1мА") - измеритель тока стока
(Ic ) ;
PV2 (ИВ стенда, переключатель которого устанавливают в положение ―ГН2-25В‖)- измеритель напряжения на стоке Uси по отношению к истоку.
3. Данные занести в таблицу.
Обработка результатов измерения
Построить графики переходной и выходных характеристик. Произвести графический расчет
параметров полевого транзистора S, Ri Рассчитать коэффициент усиления μ= S *Ri .
Контрольные вопросы
1. Расскажите об устройстве и принципе работы простейшего полевого транзистора с затвором в виде p-n - перехода,
2. Какими носителями заряда определяется ток стока?
3. Чем объясняется высокое входное сопротивление полевых транзисторов?
4. Каковы назначения канала и затвора?
Лабораторная работа 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРА
Цель работы: изучение принципа действия тиристора, снятие и анализ вольт-амперных характеристик.
Оборудование и принадлежности: лабораторный стенд, тиристор КУ 101, провода соединительные.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему исследования тиристора.
2. Выполнить измерения и занести результаты в табл.4. Для этого использовать:
ГТ - генератор тока стенда;
ГН3 - генератор напряжения стенда;
Iу (РА1)– измеритель тока управляющего электрода (ИВ стенда, переключатель в положение «ГТ - 1мА»);
РА 2 – измеритель тока нагрузки Ia (АВМ1 на пределах измерения «50мА» и «10мА» );
Uу (PV1) - измеритель напряжение на управляющем электроде (АВМ2 на пределах измерения «5В» и «1В») ;
PV2 - измеритель напряжения на аноде тиристора Uа (АВМ2 на пределах измерения "100В",
"50B", "10В", "5В");
V1
- тиристор КУ 101;.
R - резистор сопротивлением З кОм.
3. При снятии ВАХ (прибор PV1 не используется) следует разорвать цепь управляющего
электрода (Iy =0). Увеличивая выходное напряжение генератора ГН3, добиться переключения тиристора в открытое состояние. Напряжение, при котором начнется заметное увеличение анодного
тока Ia и тиристор переключится, Ua max = Ua4 . Уменьшая до 0 напряжение на выходе ГН3 ( предел измерений поставить 5В), добиться перехода тиристора в закрытое состояние. Значения токов
и напряжений записать в таблицу.
4. Снять зависимость напряжения включения тиристора от тока управления. Подключить
ГТ, установить на его выходе минимальный ток, повернув регуляторы "Грубо" и "Точно" ГТ против часовой стрелки до упора. Установить на выходе ГН3 напряжение, равное Ua1, и, увеличивая
29
ток ГТ, добиться включения тиристора в открытое состояние. Занести, значение тока Iy управляющего электрода в таблицу. Принять Ua1=0,25 Ua4 ; Ua2=0,5 Ua4; Ua3 =0,75 Ua4.
Обработка результатов измерения
В отчете должны быть приведены результаты измерений и график вольт-амперной характеристики тиристора и зависимости Ua =F(Iy).
Контрольные вопросы
1.
Структура и принцип действия тиристора.
2. Какой должна быть полярность напряжения для нормальной работы тиристора?
3. Укажите способы выключения тиристора.
Лабораторная работа 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ
Цель работы: исследование характеристик и параметров электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)
и проверка с ее помощью радиодеталей.
Оборудование и принадлежности: два блока питания, электронно-лучевая трубки, латр,
плата для проверки работоспособности радиоэлементов (РЭ), универсальный вольтметр B7-I6A.
Порядок выполнения работы
1. Собрать лабораторную установку.
Для этого гнезда "6,3V, земля» блока ИП соединить с гнездами '"6,3 V , земля» блока ВИП.
Шнур питания блока ИП включить в гнезда латра с регулируемым напряжением от 0 до 250
В. Напряжение питания установить равным 220 В.
Первый источник (ИП) позволяет получать фиксированные напряжения переменного тока:
 4 В с номинальным током I А (гнезда «4 V» , «земля»);
 6,3 В c номинальным током 4 А (гнезда «6,3 V» , «земля»);
 12,6 В с номинальным током 0,5 А (гнезда «12,6 V» , «земля»);
 регулируемое напряжение переменного тока в диапазоне от 0 до 50 В с номинальным током 100 мА (гнезда «-0-50+»),
 фиксированное напряжение постоянного тока 250 В с номинальным током 100 мА (гнезда «0+250»);
 регулируемое напряжение постоянного тока в диапазона от 0 до 250 В с номинальным
током 25 мА (гнезда «-0-250+»).
Второй источник питания ЭЛТ (ВИП) обеспечивает гнезда для управления положением
электронного луча по координатам ЭЛТ:
по оси абсцисс (гнезда"Х1,Х2");
по оси ординат (гнезда"У1,У2").
В качестве измерительных приборов используется универсальный вольтметр B7-I6A.
Схема платы РЭ представлена на рис. 23.
Плата РЭ служит для подключения радиоэлементов и измерительных приборов к ЭЛТ.
2. Исследовать чувствительность трубки к горизонтальному отклонению луча в зависимости от напряжения на втором аноде К Х  f (VA2 ) .
При экспериментальном определении чувствительности измеряются размеры отклонения
луча на экране hх и подающееся на гнезда "XI, Х2" ВИП напряжение, контролируемое с помощью
вольтметра B7-I6A. Чувствительность в этом случае определяется по формуле
h
КХ  X .
V A2
В процессе исследования напряжение на втором аноде изменять согласно таблицу.
3. Исследовать чувствительность трубки к вертикальному отклонению луча в зависимости
от напряжения на втором аноде KY  f (VA2 ) .
Расчет чувствительности выполнить по формуле
h
KY  Y ,
VA 2
30
где h Y - отклонение луча на экране по вертикали.
Контрольные вопросы
1. Какую роль выполняет ускоряющий электрод?
2. Чем объясняется различная чувствительность трубки к горизонтальному и вертикальному
отклонениям?
3. В чем заключается особенность электронной линзы?
5.4. Краткое описание практических занятий
5.4.1. Перечень практических занятий (наименования, темы)
Решение задач на тему «Основные свойства p-n-перехода»
Решение задач на тему «Полупроводниковые диоды»
Решение задач на тему «Стабилитрон»
Решение задач на тему «Схемы с биполярным транзистором»
Решение задач на тему «Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом»
Решение задач на тему «МДП – транзисторы»
5.4.2. Методические указания по выполнению заданий на практических занятиях
Практические занятия связаны с решением задач по теме.
Цель занятии: решить задачи, предложенные преподавателем по теме занятия.
Для практических занятий используется книга Терехов В.А. Задачи по электронным приборам, СПб: Из-во Лань, 2003, 280 с.
В отчете по практическому занятию должны содержаться:
1.
Условия задачи.
2.
Принципиальная электрическая схема (если используется).
3.
Графики характеристик электронных приборов (если используются).
4.
Решение задачи с полной выкладкой формул и численных расчетов.
5.
Ответ в развернутом виде.
5.5. Краткое описание видов самостоятельной работы
5.5.1. Общий перечень видов самостоятельной работы
1.
Курсовая работа
2.
Подготовка отчетов по лабораторным работам.
3.
Подготовка к промежуточному контролю по лабораторным работам.
4.
Самостоятельное изучение разделов курса.
5.5.2. Методические рекомендации для выполнения для каждого задания самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов предполагает работу с литературой, нормативнотехнической документацией.
При изучении тем, заданных на самостоятельное изучение, студент пишет конспект, отмечая труднодоступные моменты и отвечает на контрольные вопросы для самостоятельной оценки.
Темы для самостоятельного изучения:
контакт металл-полупроводник, диод Шоттки, транзистор с барьером Шоттки.
Подготовка к защите лабораторных работ и к коллоквиуму
Защита лабораторных работ и коллоквиум проводятся по заранее выданным преподавателем контрольным вопросам. Для подготовки необходима работа с текстом (лекций, учебников, дополнительной литературы): чтение, составление краткого конспекта текста)
5.5.3. Содержание курсового проекта (курсовой работы):
Задание на курсовой проект.
Рассчитать характеристики электронных приборов» (по вариантам)
Исходные данные по вариантам
1. Марка электронного прибора
2. Входные и выходные характеристики электронных приборов (из справочника).
31
Состав проекта.
Курсовая работа состоит из трех задач:
1. «Расчет h-параметров биполярного транзистора»
2. «Расчет стоко-затворных характеристик полевого транзистора»
3. «Расчет параметров электронно-лучевой трубки»







Пояснительная записка должна включать:
Титульный лист
Задание на курсовую работу
«Расчет h-параметров биполярного транзистора»
«Расчет стоко-затворных характеристик полевого транзистора»
«Расчет параметров электронно-лучевой трубки»
приложение
Список литературы
Методические рекомендации по выполнению курсового проекта.
Курсовая работа предназначена для закрепления теоретических знаний по расчету основных характеристик электронных приборов: биполярных транзисторов, МДП-транзисторов, электронно-лучевой трубки.
В качестве задания на курсовую работу каждому студенту предлагается – «Расчет характеристик электронных приборов» (по вариантам)
Курсовая работа состоит из трех задач:
4. «Расчет h-параметров биполярного транзистора»
5. «Расчет стоко-затворных характеристик полевого транзистора»
6. «Расчет параметров электронно-лучевой трубки»







Пояснительная записка должна включать:
Титульный лист
Задание на курсовую работу
«Расчет h-параметров биполярного транзистора»
«Расчет стоко-затворных характеристик полевого транзистора»
«Расчет параметров электронно-лучевой трубки»
приложение
Список литературы
Оформление пояснительной записки должно соответствовать стандарту ИрГТУ СТО 0052009 «Система менеджмента качества. Учебно-методическая деятельность. Оформление курсовых
и дипломных проектов (работ) технических специальностей»
ЗАДАЧА 1.
Пользуясь справочными данными, приведите семейство входных и выходных характеристик транзистора. Схема включения и тип транзистора определяется по таблице 1.
Письменно объясните вид входных и выходных характеристик транзистора.
На семействе входных характеристик постройте кривую предельно допустимой мощности.
Выбрав напряжение источника питания и величину сопротивления нагрузки, постройте на этом же
рисунке нагрузочную линию.
На нагрузочной прямой выберите положение рабочей точки и перенесите эту точку на семейство входных характеристик.
Определите значение h-параметров транзистора по характеристикам вблизи рабочей точки.
На основании полученных числовых значений параметров рассчитайте коэффициенты уси32
ления по току, по напряжению и мощности для выбранного сопротивления нагрузки и заданной
схемы включения.
Таблица 1. Варианты задания.
Вариант
Тип транзистора
1
МП21Д
2
МП40
3
МП42А
4
ГТ108Б
5
МП114
6
КТ104А
7
КТ201Г
8
КТ208А
9
ГТ310А
10
П416
11
КТ3107А
12
КТ313А
13
КТ345А
Характеристики транзисторов в приложении 1.
ЗАДАЧА 2.
Рассчитайте и постройте семейство стоковых характеристик Ic=f(Uсп/Uзп) полевого транзистора. По полученным характеристикам определите крутизну, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления транзистора. Данные для расчета приведены в таблице 2.
Таблица 2. Варианты задания.
Вариант
1
Тип транзи- К
стора
П
30
2А
Uотс,В
3,0
Rк, Ом
88
Uзи1,В
0
Uзи2,В
1,0
2
КП
302
Б
3
КП30
2В
4
КП
302
А
5
КП
302
Б
6
КП30
2В
7
КП
302
А
8
КП
302
Б
9
КП30
2В
10
КП
302
А
4,2
50
0
-1,0
5,0
40
0
-1,0
3,0
88
-0,5
-1,5
4,2
50
-0,5
-1,5
5,0
40
-0,5
-1,5
3,0
88
-1,0
-2,0
4,2
50
-1,0
-2,0
5,0
40
-1,0
-2,0
4,2
88
-1,0
-2,0
Расчет тока стока проводим по формуле:
3
3
1
2 / U / 2  (/ U зи /  U си ) 2
I c  [U си  * зи
]
R
3
/ U отс /
Для расчета крутизны, внутреннего сопротивления и коэффициента усиления используют
два семейства характеристик: переходные и выходные.
Переходные –зависимость тока стока I c от напряжения на затворе U зи для ряда постоянных напряжений на стоке U си (рис.4).
I c =f( U зи ), при U си -const
Выходные - зависимость тока стока I c от напряжения на стоке U си при постоянном напря33
жении на затворе U зи (рис.5).
I c =f( U си ) , при U зи -const.
S – крутизна переходной характеристки
S= I c / U зи , при U си - const.
Ri- внутренне сопротивление
Ri= U си / I c , при U зи -const.
 - коэффициент усиления
=S*Ri
ЗАДАЧА 3
Для электронно-лучевой трубки с электростатическим отклонением луча, длина отклоняющих пластин которой l, расстояние между пластинами d, расстояние от экрана до края пластин L.
Определить :
1. Чувствительность к отклонению по напряжению;
2. Отклонение электронного луча на экране;
3. Время пролета электрона между пластинами;
4. Угол отклонения луча по оси трубки, если напряжение на втором аноде равно Uае (постоянные
напряжения на отклоняющих пластинах равны U).
5. Граничную частоту отклонения;
Числовые значения величин приведены в табл. 3.
U a2
Таблица 3. Варианты задания.
ВАРИАНТ 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
U, B
80 85 90 95 100 75 70 65 60 55
Uае, кВ
2,0 1,9 1,8 1,7 1.6 1.5 2,1 2.2 2.3 2.4
l, мм
25 27 30 20 22 18 28 26 24 20
d, мм
7
10 11 12 9
8
7,5 6
5
10
L, мм
200 100 120 180 140 160 150 190 130 170
Чувствительность отклонения по напряжению вычисляется по формуле:
1
l*L
Ку= *
, где l – длина отклоняющих пластин, L – расстояние до экрана,
2 d *U a 2
 напряжение на втором аноде, d- расстояние между пластинами.
Отклонение электронного луча на экране:
hy  K y *U
Время пролета электрона между пластинами t пр = l / V , где V (км/c) -скорость электрона,
определяется по формуле:
m *V 2
 e *U
2
V
2e
*U
m
Угол отклонения луча по оси трубки определяем из соотношения:
tg=h/L
-угол отклонения электрона.
Граничная частота отклонения:
34
f гр  15
U
,...U ( B), l (см)
l
6. Применяемые образовательные технологии
7.
При реализации данной программы применяются образовательные технологии, описанные
в табл. 2.
Таблица 2 - Применяемые образовательные технологии
Технологии
Работа в команде
Групповая
дискуссия
Виды занятий
Лекции
Практ./Сем.зан.
10
4
7. Контрольно-измерительные материалы и оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
7.1 Краткое описание контрольных мероприятий, применяемых контрольно-измерительных
технологий и средств.
Для оценки уровня и качества подготовки по данной дисциплине используется двухуровневая система оценки: зачет/ незачет.
Для получения оценки «Зачет» учитывается выполнение лабораторных работ, , устный опрос в
виде коллоквиума, защита лабораторных работ.
7.2
Контрольные вопросы для итогового контроля:
1. Основные материалы полупроводниковой электроники (кремний, германий, арсенид галлия,
фосфид индия) и их основные параметры.
2. Физические процессы в электронно-дырочном переходе. Образование обедненного слоя,
условие равновесия. Высота потенциального барьера и ширина перехода.
3. Вольт-амперная характеристика идеализированного электронно-дырочного перехода.
4. Барьерная и диффузионная емкости перехода и их зависимость от приложенного напряжения.
5. Контакт металл-полупроводник.
6. Вольт-амперная характеристика реального р-п перехода.
7. Виды пробоя.
8. Влияние температуры на вольт-амперную характеристику.
9. Основные параметры диодов: дифференциальное сопротивление, сопротивление постоянному току, емкости диода.
10. Разновидности полупроводниковых диодов. Выпрямительные диоды, диоды Шоттки, туннельные и обращенные диоды, варикапы. Назначение, принцип действия, характеристики и
параметры.
11. Условные изображения и обозначения.
12. Биполярный транзистор.
13. Устройство и принцип действия.
14. Схемы включения. Основные режимы: активный, отсечки, насыщения, инверсный. Коэффициенты передачи тока в схемах с ОЭ и с ОБ.
15. Физические параметры транзистора: коэффициент передачи тока, дифференциальные сопротивления и емкости переходов, объемные сопротивления областей.
16. Статические характеристики транзистора.
17. Транзистор как линейный четырехполюсник. Системы h-параметров и схемы замещения
транзистора.
35
18. Т-образная эквивалентная схема транзистора.
19. Особенности работы транзистора на высоких частотах.
20. Работа транзистора в импульсном режиме. Физические процессы накапливания и рассасывания носителей заряда. Импульсные параметры транзистора.
21. Разновидности транзисторов. Условные изображения и обозначения.
22. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом. Устройство, схемы включения. Принцип действия, физические процессы, влияние напряжений электродов на ширину р-п перехода и форму канала.
23. Статические характеристики, области отсечки, насыщения и пробоя р-п перехода. Параметры полевого транзистора.
24. Полевые транзисторы с изолированным каналом.
25. МДП-транзисторы со встроенным и с индуцированным каналами. Устройство, схемы включения.
26. Режимы обеднения и обогащения в транзисторе со встроенным каналом. Статические характеристики.
27. Устройство и классификация тиристоров. Двухтранзисторная модель тиристора.
28. Характеристики и параметры. Влияние тока управления на характеристики тиристора. Статические параметры тиристора.
29. Области применения тиристоров. Условные изображения и обозначения.
30. Электронная эмиссия. Виды эмиссии.
31. Катоды электровакуумных приборов. Основные типы катодов.
32. Прохождение тока в вакууме: ток переноса, ток смешения, полный ток. Электрический разряд в газах. Несамостоятельные и самостоятельные разряды. Виды самостоятельного разряда: тихий, тлеющий, дуговой. Характеристики разрядов.
33. Вакуумный диод. Принцип действия. Режим насыщения и режим ограничения тока объемным зарядом. Идеализированная и реальная характеристики диода. Статические параметры.
Основные типы диодов. Области применения.
34. Трехэлектродная лампа. Устройство. Роль сетки в триоде. Понятие о действующем потенциале и проницаемости сетки. Статические характеристики. Статические параметры и их
определение по характеристикам. Междуэлектродные емкости. Режим работы триода с
нагрузкой, нагрузочные характеристики, параметры режима работы с нагрузкой.
35. Тетроды и пентоды. Роль сеток. Действующее напряжение. Статические характеристики и
параметры многоэлектродных ламп. Эквивалентные схемы ламп на низких и высоких частотах. Мощные генераторные и модуляторные лампы. Области применения многоэлектродных ламп.
36. Устройство электронно-лучевой трубки. Элементы электронной оптики. Управление плотностью электронного луча. Системы фокусировки луча. Отклонение луча электрическим и
магнитным полями. Чувствительность трубки к отклонению. Экраны электронно-лучевых
трубок. Параметры экранов.
37. Типы электронно-лучевых трубок.
8.
8.1
Рекомендуемое информационное обеспечение дисциплины
Основная учебная литература
1.
Электроника : учеб. пособие для вузов по направлению 654100 «Электроника и микроэлектроника» / А. А. Щука; под ред. А. С. Сигова . – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 799 с.(34
экз.)
2.
Электроника и микропроцессорная техника : учеб. для вузов по направлению подгот.
бакалавров и магистров «Биомед. инженерия»… / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – Изд. 4-е, доп . – М.:
Высш. шк., 2006. – 797 с. (28 экз.)
3.
Электротехника и электроника : учеб. пособие для соц. вузов, техн. отд-ний гуманитар. вузов и вузов неэлектротехн. профиля / М. А. Жаворонков, А. В. Кузин. – 2-е изд., стер . – М.:
Академия, 2008. – 393 с. (28 экз.)
4.
Электроника : полн. курс лекций / В. А. Прянишников. – 4-е изд. . – СПб.: КОРОНА
принт, 2004. – 415 с.(11 экз.)
36
8.2
Дополнительная учебная и справочная литература.
1. Терехов В.А. Задачник по электронным приборам, СПб: Из-во Лань, 2003, 280 с.
2. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: учебник / А.Т. Бурков - М.:
Транспорт, 1999. - 464 с.
3. Лачин В.И. Электроника: учеб. пособие./ В.И Лачин, Н.С. Савелов - Ростов н/Д: Изд-во
Феникс, 2000. - 448 с.
8.3 Электронные образовательные ресурсы:
8.3.1
Ресурсы ИрГТУ, доступные в библиотеке университета или в локальной сети
университета.
1. http://library.istu.edu/hoe
2. http://www2.viniti.ru
3. http://www1.fips.ru
4. http://elibrary.ru
5. http://www.springerlink.com/home/main.mpx
6. http://www.OECDiLibrary.org
8.3.2 Ресурсы сети Интернет.
1. http://window.edu.ru/window/library
2. http://uisrussia.msu.ru
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лаборатория электроники (Г-220а).
В лаборатории одновременно могут выполнять работы 4 группы студентов.
37
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа