Основи електроніки (стр. 1 )

Міністерство освіти і науки України

ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«Одеська державна академія технічного регулювання та якості»

Білоцерківська філія

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ

курс лекцій

(для студентів заочної форми навчання

спеціальності 5.05100102 «Електротеплотехнічні вимірювання)

м. Біла Церква – 201__-

Укладач

Рецензент: ____________

Редактор: ____________

Розглянуто та рекомендовано у навчальний процес цикловою комісією БЦфОДАТРЯ.

Протокол №__ від ___ ________ 20__ р.

Голова комісії _________

Конспект лекцій з дисципліни «Основи електроніки»

для студентів заочної форми навчання спеціальність 5.05100102 «Електротеплотехнічні вимірювання

ЗМІСТ

Передмова..................................................................................................	4
ЛЕКЦІЯ 1 Напівпровідники.................................................................	5
ЛЕКЦІЯ 2 Напівпровідникові діоди....................................................	25
ЛЕКЦІЯ 3 Транзистори..........................................................................	45
ЛЕКЦІЯ 4 Підсилювачі електричних сигналів.................................	60
ЛЕКЦІЯ 5 Електронні випрямлячі.....................................................	88
ЛЕКЦІЯ 6 Генератори синусоїдальних коливань............................	109
ЛЕКЦІЯ 7 Основи мікроелектроніки..................................................	127
Список використаної літератури.........................................................	148

Передмова

Електроніка – це галузь науки і техніки, що вивчає:

·  Фізичні явища, пов’язані зі зміною концентрації і переміщенням заряджених частинок у вакуумі, газі та твердих кристалічних тілах;

·  Електричні характеристики та параметри електронновакуумних, іонних та напівпровідникових приладів;

·  Властивості пристроїв і систем, у яких застосовуються електронно-вакуумні, іонні та напівпровідникові прилади.

Перший із цих напрямків складає основу фізичної електроніки, другий і третій – технічної електроніки.

В наш час прогрес майже у всіх галузях науки і техніки багато у чому зумовлений успіхами електроніки. Тому знання основ електроніки необхідні інженерові будь-якої спеціальності. Багато задач керування, вимірювання, інтенсифікації технологічних процесів, що виникають у різних галузях техніки, можуть бути успішно розв’язані спеціалістами, знайомими з основами електроніки.

Даний навчальний посібник створено для студентів, які навчаються за спеціальністю «Електротеплотехнічні вимірювання». Дисципліна «Основи електроніки» є базисом для вивчення основ обчислювальної техніки, автоматики, цифрової та мікропроцесорної техніки та інших спеціальних дисциплін.

Метою даного посібника є ознайомити студентів з фізичними основами, будовою та параметрами напівпровідникових приладів, набуття навиків аналізу електронних пристроїв та систем, їх застосування при вирішенні виробничих завдань.

ЛЕКЦІЯ 1

НАПІВПРОВІДНИКИ

1.1 Основні поняття

У другій половині 20 століття у різних галузях народного господарства широкого розповсюдження набули напівпровідникові прилади. Їх велика популярність пояснюється високою економічністю апаратури на напівпровідниках, довговічністю і міцністю при малих габаритах. Які ж ре­човини є напівпровідниками і які їх електричні власти­вості?

Звичайно напівпровідниками вважають речовини, пи­томий опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків. Проте є серед них речовини з проміжним значенням питомого опору, але вони не належать до напівпровідників. Деякі напівпровідники ма­ють таку саму високу провідність електрики, як і метали. Напівпровідники відрізняються від інших речовин багатьма іншими властивостями, і значення їх питомого опору не є основним серед них. Розглянемо деякі з цих властивостей.

Характерна особливість напівпровідників — це дуже сильна залежність їх питомого опору від стану речовини: температури, освітлення, наявності домішок тощо. В цьому легко переконатися на дослідах.

Мал. 1

Складемо електричне коло з

послідовно увімкнутих джерела струму і гальванометра. Приєднаємо до цього кола шматок металевого провідника у вигляді спіральки МП і напівпровідник НП (наприклад, германієву пластин­ку) так, щоб їх можна було за допомогою вимикача К почергово вмикати в коло (мал. 1). Увімкнемо спочатку в коло металевий провідник (вимикач в положенні 1) і відмітимо показ гальванометра. Потім піднесемо пальник до провідника і нагріємо його. Гальванометр покаже змен­шення сили струму. Це зрозуміло, оскільки опір металевих провідників зростає з підвищенням температури. Увімкнемо тепер у коло напівпровідник (вимикач у положенні 2), відмітимо показ гальванометра і нагріємо напівпровідник. Гальванометр покаже зростання сили струму в колі, що свідчить про зменшення опору напівпровідника з підви­щенням температури.

Дослідження показали, що опір у більшості напівпро­відників значно чутливіший до змін температури, ніж металів. Якщо опір металів з підвищенням температури зростає приблизно лінійно, опір напівпровідника навпаки — різко зменшується.

Другою важливою особливістю напівпровідників є за­лежність їх опору від освітлення. Складемо електричне коло з послідовно увімкнутих джерела струму, гальвано­метра і напівпровідника. Закриємо напівпровідник світло­непроникним екраном і замкнемо коло. Гальванометр по­каже наявність у колі незначного струму. Приймемо тепер екран і освітимо напівпровідник. Гальванометр покаже різке зростання сили струму, а це означає, що опір на­півпровідника внаслідок освітлення зменшився.

Напівпровідники надзвичайно чутливі до домішок. Мі­зерна добавка домішок може в сотні й тисячі разів змінити питомий опір напівпровідника. Ця надзвичайна властивість напівпровідників, з одного боку, ускладнює дослідження їх характеристик і вимагає опрацювання нової технології видобування речовин винятково високої чистоти; з другого боку, дає змогу строго дозованим введенням домішок ви­готовляти напівпровідники з практично будь-якими зазда­легідь заданими властивостями.

Дуже важливою особливістю напівпровідників є те, що в напівпровідниках спостерігається і новий тип провідності, яка за зовнішніми ознаками схожа на провідність, обу­мовлену рухом позитивних зарядів. Цей ефект у свій час здавався дивним, оскільки проходження струму в провід­нику не пов'язане з переміщенням іонів і природа пози­тивних носіїв струму певний час залишалася не висвіт­леною.

Таким чином, ми ознайомилися з рядом важливих вла­стивостей напівпровідників. Тепер спробуємо пояснити ці властивості на основі зонної теорії твердих тіл.

1.2 Основи зонної теорії твердих тіл

Всі речовини, що нас оточують, складаються із найдрібніших часток - атомів. Атом складається з ще дрібніших часток, основними з них є: протони, нейтрони та електрони.

Мал. 2

Протони мають позитивний (+) електричний заряд; електрони - негативний (-) заряд, рівний за величиною заряду протона, а нейтрони - електрично нейтральні, їх заряд дорівнює 0.

Протони та нейтрони складають ядро, в якому зосереджена практично вся маса атома. Навколо ядра під виливом його притягання рухаються по орбітах негативно заряджені електрони (мал. 2).

Кількість протонів, нейтронів та електронів в атомі залежить від хімічного елемента, складовою частиною якого він є. Число електронів, що обертаються навколо ядра, завжди відповідають порядковому номеру елемента в таблиці Д. І. Менделеєва.

Електрони, що обертаються в атомі і розташовані на зовнішніх орбітах, мають слабший зв'язок з ядром, ніж електрони, що розташовані на внутрішніх, ближчих до ядра орбітах.

Електрони, що розташовані на зовнішніх орбітах атомів, називаються валентними. Вони характеризують хімічну активність речовини.

Електрони, які визволилися від внутрішніх сполучень, називаються вільними.

Вони пересуваються в середині речовини між атомами в різних напрямках і з різними швидкостями. При наявності зовнішнього електричного поля їх рух стає упорядкованим і спрямованим. В результаті виникає електричний струм.

Чим більше вільних електронів має речовина, тим вище його електропровідність. Залежно від електропровідності тверді тіла поділяються на: провідники, напівпровідники і діелектрики.

Кожній орбіті відповідає тільки визначена енергія електрона або дозвільний енергетичний рівень. Рівні енергії, яких не можуть мати електрони при переході з однієї орбіти на іншу, мають назву запірний шар.

Енергетичні діаграми наведені на мал. 3

а) - провідник

W, ев

W, ев

W, ев

У провідників запірний шар відсутній (мал. 3, а) і валентні електрони вільно переходять в зону провідності. У діелектриків (мал. 3, б) ширина запірного шару велика (для переходу необхідна енергія не менша за 3 еВ).