Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводники n- и р-типа.
Полупроводники – это вещества, которые проводят электрический ток не так хорошо как проводники, но и не так плохо, как диэлектрики. (германий, кремний, селен…)
Главное отличие полупроводников и проводников – полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики, а при высоких температурах – как проводники.
При низких температурах связи валентных электронов не разрываются, и поэтому кремний не проводит электрический ток. При нагревании наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны становятся свободными. Они перемещаются и образуют электрический ток.
При разрыве связи образуется свободное место – «дырка», которая имеет положительный заряд.
Периодически электрон вырывается со своего места и переходит на место «дырки», а на месте ушедшего электрона образуется «дырка».
Направление движения электронов противоположно направлению движения «дырок».
Носители заряда в полупроводниках – электроны и «дырки».
Собственная проводимость полупроводников – это проводимость, обусловленная движением свободных электронов и «дырок» в чистом полупроводнике (без примесей).
Если в полупроводнике имеются примеси, то наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость. При добавлении примесей увеличивается число свободных электронов или «дырок» в полупроводнике.
Донорные примеси – это примеси, увеличивающие число свободных электронов в полупроводнике.
Полупроводники, имеющие донорные примеси, называются полупроводниками n-типа (negativ – отрицательный).
n-тип – основные носители заряда – электроны, неосновные – «дырки».
Акцепторные примеси – это примеси, увеличивающие число «дырок» в полупроводнике.
Полупроводники, имеющие акцепторные примеси, называются полупроводниками p-типа (positiv – положительный).
р-тип – основные носители заряда – «дырки», неосновные – электроны.
p-n-переход - контакт двух полупроводников с разной проводимостью.
При образовании контакта электроны частично переходят из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, а «дырки» в обратном направлении.
Прямой переход – внешнее поле направлено от «+» к «-». Под действием поля электроны и «дырки» придут в направленное движение. Через p-n-переход идёт электрический ток.
Обратный переход – под действием поля электроны из р-типа идут в n-тип и наоборот. Но в полупроводнике р-типа мало электронов, а в n-типе – мало «дырок». В результате проводимость незначительная, а сопротивление большое. Образуется запирающий слой. Ток не идёт.
Полупроводниковые приборы (диод, транзистор).
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р – n –перехода.
При приведении в контакт двух полупроводников р - типа и n - типа в месте контакта начинается переход электронов из n - области в р - область, а дырок – наоборот из р - в n - область.
р – n – переход обладает односторонней проводимостью.
Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р и n – типа.
Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокий коэффициент полезного действия. Их недостатком является зависимость сопротивления от температуры. На схемах полупроводниковый диод изображают в виде
Диод используют в качестве выпрямителя тока.
В основе транзистора лежит два р – n – перехода. Основное применение транзистора это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению.
Электронные приборы и устройства
Электронными называются устройства, в которых преобразование электрической энергии и сигналов реализуется с помощью электронных активных элементов (электронных приборов).
Наиболее простым видом преобразования является выпрямление переменного тока, более сложными – инвертирование постоянного тока в переменный, усиление, генерирование и преобразование сигналов различной формы.
Электрическая схема устройства включает в себя кроме активных элементов пассивные компоненты: резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.
Резисторы обеспечивают требуемый режим активных элементов.
Конденсаторы служат для связи отдельных цепей и узлов по переменному току, обеспечивая в тоже время их разделение по постоянному току. Катушки индуктивности используются для создания колебательных контуров, дросселей, различных фильтров т. д.
Все активные элементы (электронные приборы) делятся на две группы: электровакуумные и полупроводниковые.
В электровакуумных приборах перенос электрических зарядов осуществляется в вакууме или газе, заполняющем прибор. Носителями электрического заряда являются электроны, источником которых служит катод.
В зависимости от характера процесса переноса заряда все электровакуумные приборы разделяют на две группы:
1. Электронные – в этих приборах процесс переноса носителей заряда от катода к аноду происходит в вакууме и осуществляется исключительно катодными электронами (электронные лампы, электронно-лучевые трубки, вакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители)
2. Газоразрядные – в этих приборах физические процессы протекают в среде инертного газа или паров ртути и в процессе переноса электрических зарядов кроме катодных электронов участвуют электроны и положительные ионы, возникшие вследствие ионизации газов (газотроны, тиратроны, ртутные выпрямители).
В полупроводниковых приборах перенос электрических зарядов происходит в твердом теле (полупроводники). К ним относятся диоды, транзисторы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и светодиоды.
Полупроводниковые приборы делятся на две группы:
Биполярные – в переносе электрического заряда в рабочем промежутке участвуют основные и неосновные носители заряда (электроны и дырки). Униполярные – перенос электрических зарядов осуществляется основными носителями полупроводника проводящего слоя.По способу управления потоком электрическим зарядом (электрическим током) все активные элементы делятся на полевые и токовые.
В полевых приборах управление осуществляется электрическим полем. К ним относятся все электровакуумные и униполярные полупроводниковые приборы.
В токовых приборах управление осуществляется электрическим током. К токовым приборам относятся биполярные транзисторы.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод представляет собой двухслойную структуру, которая образуется в одном кристалле. Один слой имеет электропроводность n – типа, а другой р – типа.
В полупроводниках n – типа основными носителями заряда являются отрицательные электроны, а в полупроводниках р – типа основными носителями заряда являются положительные дырки.
Слои разделены слоем с собственной электропроводности. Этот слой называется запирающим, так как его электрическое поле препятствует движению основных носителей полупроводников и способствует движению неосновных носителей. В целом эта структура называется р-n-переходом.
Основным свойством электронно-дырочного перехода является его односторонняя электропроводимость. Направление, при котором ослабляется действие запирающего слоя (положительный полюс источника напряжения подсоединен к р-области, а отрицательный – кn-области), называется прямым или направлением пропускания тока, а направление, при котором усиливается действие запирающего слоя (отрицательный полюс источника напряжения подсоединен к р-области, а положительный к n-области), называется обратным или направлением запирания.
Диоды подразделяют на плоскостные (рис. 1б) и точечно-контактные (рис. 1в).
Обозначение полупроводникового диода на электрических схемах показано на рис. 1г.
Биполярные транзисторы
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами. Он имеет трехслойную структуру n-p-n (рис. 2а) или p-n-p-типа (рис. 2б).
Средняя область между двумя р-n-переходами называется базой. Толщина ее делается достаточно малой. Соседние области называются эмиттером и коллектором. Переход эмиттер-база называется эмиттерным, а переход база-коллектор – коллекторным.
Биполярные транзисторы выполняют на основании кремния и германия.
Различают следующие режимы работы транзистора:
Режим отсечки токов (режим закрытого транзистора) – оба перехода закрыты, токи в транзисторе малы; Режим насыщения (режим открытого транзистора) – оба перехода открыты, токи в транзисторе максимальны, и не зависят от его параметров; Активный режим – эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт.Активный режим называется усилительным.
Тиристоры
Многослойные структуры с тремя р-n-переходами называют тиристорами. Основным свойством такой четырехслойной структуры является способность находиться в двух состояниях устойчивого равновесия: максимально открытом (с большой проводимостью) и максимально закрытом (с малой проводимостью). Тиристоры относят к классу переключающих полупроводниковых приборов.
Полевые транзисторы
Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, являющийся резистором, сопротивление которого изменяется под действием поперечного электрического поля, создаваемого прилегающим к проводящему объему полупроводникам управляющим электродам (затвором).
В полевом транзисторе управляемый ток обусловлен движением основных для данного типа полупроводника носителей заряда. Отличительной особенностью таких транзисторов является большое входное сопротивление, что позволяет управлять мощными цепями с помощью маломощных источников сигнала.
Фотоэлектронные приборы
Фотоэлектронными приборами (ФЭП) называют такие приборы, принцип действия которых основан на электрических процессах, возникающих в результате поглощения телом энергии светового потока.
При облучении тела светом поток лучистой энергии частично отражается от поверхности тела, а частично поглощается. За счет поглощения квантов светового потока энергия электронов в твердом теле изменяется.
Электроны, получившие дополнительную энергию, могут покинуть пределы твердого тела (фотоэлектронная эмиссия) или перейти на более высокие энергетические уровни. В последнем случае увеличивается число подвижных носителей зарядов, а, следовательно, и электропроводность тела (фотопроводимость).
В соответствии с характером процессов, развивающихся вследствие поглощения световой энергии, фотоэлектронные приборы можно разделить на две группы:
- приборы с внешним фотоэффектом, действие которых связано с фотоэлектронной эмиссией (электровакуумные и ионные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители (ФЭУ)); приборы с внутренним фотоэффектом, принцип работы которых основан на изменении энергетических состояний электронов в твердом теле (фоторезисторы, полупроводниковые фотоэлементы, солнечные батареи, фотодиод и фототранзистор).
Особую группу составляют электроннолучевые фотоприборы – передающие телевизионные трубки, в которых сочетаются характерные особенности электроннолучевых приборов с использованием фотоэлектронной эмиссии.
Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) (внешний фотоэффект) представляет собой электронную эмиссию под действием электромагнитного излучения.
Чувствительность фотокатода зависит от длины волны излучения. Эта зависимость называется спектральной характеристикой.
Принцип действия, устройство фотоэлементов с внешним фотоэффектом
|
Основными характеристиками фотоэлементов являются: вольт-амперная и световая характеристики.
ВАХ (а) и световая характеристика (б) электровакуумного фотоэлемента
Наряду с вакуумными применяются также ионные (газонаполненные) фотоэлементы, баллоны которых заполняются разреженным газом.
В этих приборах электроны, двигаясь к аноду, соударяются с молекулами газа. При определенном уровне кинетической энергии электронов может произойти ионизация молекул газа. Вновь образованные электроны движутся к аноду, а положительно заряженные ионы перемещаются к катоду.
Увеличение тока в ионных фотоэлементах по сравнению с вакуумными принято характеризовать коэффициентом газового усиления K KГ. У = 5…10.
Частотные характеристики фотоэлементов показывают зависимость чувствительности фотоэлемента от частоты изменения интенсивности светового потока, облучающего фотокатод.
Чувствительность ионного фотоэлемента уменьшается при увеличении частоты за счет инерционности процессов ионизации и рекомбинации при газовом разряде, что связано с малой подвижностью ионов.
Немаловажную роль играет чувствительность фотоэлементов к той или иной части спектра светового потока. Эти свойства фотоэлементов (их катодов) отражаются спектральными характеристиками. Для сурьмяно-цезиевого катода характерна повышенная чувствительность к голубой, а для кислородно-цезиевого катода – к красной части спектра.
Фотоэлементы оцениваются еще одним параметром – темновым током It, протекающим в цепи фотоэлемента, когда световой поток равен нулю.
Темновой ток обусловлен термоэлектронной эмиссией катода и токами проводимости по стеклу.
Фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) называют приборы, содержащие помимо фотокатода специальное устройство для увеличения фототока. Усиление тока в умножителях достигается за счет вторичной эмиссии со специальных электродов – вторично-электронных катодов – эмиттеров, бомбардируемых электродами с других таких же электродов.
Устройство ФЭУ. 1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – вторично-электронные катоды.
Различают фотоэлектронные умножители однокаскадные и многокаскадные.
Однокаскадные умножители по своей конструкции сходны с вакуумными фотоэлементами. Часть баллона, как и в фотоэлементе, покрыта светочувствительным слоем (катод).
На противоположной стороне баллона расположен эмиттер, в качестве
которого обычно используется сурьмяно-цезиевое покрытие. Анодом служит металлическое кольцо, расположенное у поверхности эмиттера.
1 – баллон; 2 – фотокатод; 3 – эмиттер; 4 – анод; 5 – вывод катода; 6 – вывод эмиттера; 7 – вывод анода.
Чувствительность однокаскадных умножителей в несколько раз выше чувствительности вакуумных фотоэлементов.
Многокаскадные умножители состоят из двух конструктивных частей: катодной камеры и вторично-эмиссионной умножительной системы.
Катодная камера состоит из фотокатода, чаще всего полупрозрачного светочувствительного слоя, нанесенного с внутренней стороны баллона, и ряда электродов, обеспечивающих фокусирование потока фотоэлектронов в направлении первого эмиттера.
Фокусирование потока фотоэлектронов в камере осуществляется с помощью косо срезанного цилиндра, укрепленного на диафрагме.
В камере фокусирование осуществляется с помощью электронных линз, образованных цилиндрическими электродами, расположенными между фотокатодом и диафрагмой.
Аналоговые и цифровые методы обработки информации.
Задача любой системы управления - обработка информации о текущем режиме работы управляемого объекта и выработка на основе этого управляющих сигналов с целью приближения текущего режима работы объекта к заданному.
Обработка информации - решение тем или иным способом уравнений состояния системы.
В электронных устройствах существуют два основных способа обработки информации: аналоговый и цифровой.
При аналоговом способе обработки информации каждой переменной величине в системе ставится в соответствие один из плавно меняющихся параметров определенного участка электрической цепи (ток, напряжение, частота и т. д.).
Функциональные зависимости между различными переменными в системе реализуются путем построения соответствующих электрических цепей. Все преобразования осуществляются практически мгновенно.
При цифровом способе обработки информации каждой переменной величине в системе ставится в соответствие ее цифровой код.
Функциональные зависимости в системе реализуются путем непосредственного решения уравнений системы теми или иными численными методами по заранее заложенной программе. Устройство, реализующее это решение, называется процессором.
Первый процессор был создан в 40-е годы нашего столетия в США специалистами фирмы IBM. Он представлял собой устройство на электро-механических реле, занимал несколько этажей здания, имел крайне низкое быстродействие и надежность, и был пригоден лишь для очень узкого класса специфических вычислений.
По мере совершенствования процессоры имели все меньшие габаритные размеры, потребляли все меньше энергии, обладали все большей производительностью и надежностью.
Основными направлениями эволюции микропроцессоров являются:
- увеличение разрядности одновременно производимых вычислений;
- уменьшение времени выполнения вычислений.
Микропроцессор - программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов.
Упрощенная структурная схема микропроцессорной системы управления имеет вид:
ПРОЦЕССОР - БЛОК ПАМЯТИ - БЛОК ВВОДА-ВЫВОДА.
На процессор возлагается задача выполнения всех программных действий, необходимых в соответствии с алгоритмом работы устройства.
В блоке памяти хранятся команды программы функционирования процессора, а также значения констант и переменных величин, участвующих в вычислениях.
Блок ввода-вывода выполняет функцию сопряжения микропроцессорной системы с объектом управления.
Микроконтроллер - вычислительно-управляющее устройство, предназначенное для выполнения функций логического контроля и управления периферийным оборудованием, сочетающее в себе микропроцессорное ядро, блок электронной памяти и набор встроенных устройств ввода-вывода.
Отличительной особенностью цифровых систем управления является дискретизация сигнала по уровню, величина которой определяется разрядностью производимых вычислений.
Цифровые методы представления информации.
Двоичная система счисления (система счисления с основанием 2) является позиционной системой, аналогичной десятичной системе счисления, в которой положение разряда определяется степенью основания, используемого в качестве множителя данного разряда.
Для преобразования числа из десятичной системы счисления в двоичную необходимо последовательно делить заданное число на 2 и формировать результат из остатков деления начиная с младшего разряда.
Число нуль имеет два представления: 00..0 и 10..0.
Чтобы перевести число из двоичной системы счисления в десятичную, надо двоичное число представить в виде суммы степеней двойки с коэффициентами-цифрами и найти эту сумму.
1110012=1∙20+0∙21+0∙22+1∙23+1∙24+1∙25=1+0+0+8+16+32=5710
Правило двоичного сложения.
Основные логические операции над двоичными числами.
Логическими элементами называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции.
Логические функции оперируют логическими переменными, т. е. переменными, принимающими только два значения - ИСТИНА и ЛОЖЬ (на математическом языке - 0 и 1).
Логические элементы дают возможность изображать логические переменные с помощью электрических сигналов (напряжения или тока). Наличие сигнала соответствует цифре 1, а его отсутствие – 0.
Любую логически сложную функцию можно реализовать, используя три типа логических элементов: И, ИЛИ, НЕ.
К основным параметрам логических элементов относятся:
• набор логических функций;
• число входов по И и по ИЛИ;
• коэффициент разветвления по выходу;
• потребляемая мощность;
• динамические параметры: задержка распространения сигнала и (или) максимальная частота входного сигнала.
Таблица истинности представляет собой таблицу, в которой каждой комбинации входных логических переменных ставится в соответствие требуемое значение данной логической функции.
На принципиальных схемах логические элементы изображают прямоугольником, в верхней части которого указан символ функции. Входы показывают с левой стороны, а выходы - с правой.
Функция “Логическое И” (конъюнкция) (логическое умножение) 
- сложное высказывание истинно только в том случае, если истинны все составляющие его простые высказывания.
Функция “Логическое ИЛИ” (дизъюнкция) (логическое сложение) 
- сложное высказывание истинно, если истинно хотя бы одно из составляющих его простых высказываний.
Функция “Логическое НЕ” (отрицание) 
- сложное высказывание истинно, когда определённое высказывание ложно, и соответственно ложно, если это высказывание истинно.
