Изъюров Г.И. - Расчет электронных схем

ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ Д опушено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качества учебного пособия для студентов агузов ® Р1оскаа «Высшая школа» 1987 ВВК 32.85 Р24 УДК 621.38 Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев, В. А. Терехов, М.А.О о ь,В.Н.С~ Р е це н з е н ты: кафедра автоматизации проектирования Московского высшего технического училища нм. Н.

Э. Ьаумана (эвв. кафедрой — проф. И. П. Норенкав), кафедра электрофизики Московского энергетического института (зав. кафелрой— проф. В. Г. Миронов) ББк Зг.об бейО.З Щ Издательство «Высшая школа», 1987 Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Р24 Учеб. пособие для вузов по спец. электрон. техники/Г. И. Изъюрова, Г.

В. Королев, В. А. Терехов и др.— М.( Высш. 1цк., 1987.-335 с.; ил. Книга с«дернят прнмеры расчета злекзранных устрайсгв нк палуправалннкаемх диодах, бгпалярных и нолевых тркнзпстаркх, интегркльных м»красхемкх. Ккнляя глава с»стелт пз краткого теаретпческага еведенпя (апкскнпя аренд»па» работы ар«баран и устрайств и аснаяных спет»сменяй ляя рясчетя), примеров расчета н задач для самостоятельного решен«я. гйОЗЕйййй)- 140 001(01)- 07 ПРЕДИСЛОВИЕ В Основных направлениях зкономического и социального развития СССР нв 1986- 1990 голы и на период до 2000 года большое внимание уделяется электронизации народного хозяйства как важнейшему научно-техническому направлению развития электронно-вычислительной техники, робототехники, гибких автоматизированных производств, широкой электронизации машин и оборудоваггия, выпускаемых для всех отраслей народного хозяйства.

Решение этих задач в настоящее время осуществляется путем развития новых принципов проектирования и промышленного изготовлення электронной аппаратуры, разработки новой элементной базы, основанной на принципах микроэлектроники, открывающей широкие перспективы для значительного повышения надежности н улучшентш габаритно-массовых показателей электронного оборулования. Умение регпать зти сложные научно-технические задачи — основная функпия современного инженера электронной техники. Научить решать такие задачи — главная цель учебного процесса в вузах. Очевидно, что для достижения успеха путь к сложным комплексным задачам должен начинаться с простого и с первого же дня пребывания студента в институте; далее он должен проходить через все дисциплины учебного плана.

Именно поэтому в состав учебно-методического комплекта по каждому предмету должно входить пособие по решению задач. Решение учебных задач способствует более глубокому усвоению лекционного материала, прививает навыки использования теоретических знаннй на практике, развивает мышление, помогает детальнее осознавать принцип действия различных электронных схем и возможности их практического применения. Большая часть задач и примеров учебного пособия сформулирована таким образом, что требуется понимание физической сущности процессов, происходящих в электронных устройствах и приборах, а не только знание нх характеристик и параметров.

Расчет параметров и характеристик электронных приборов, а также схем с электронными приборами производится по формулам, полученным с использованием ркца допущений, раз- личных методов упрощения и с учетом только определенных физических процессов, происходящих в реальных электронных приборах и схемах. Практические расчеты должны развивать у студентов четкое понимание пределов применимосзн тех или иных формул, Поэтому многие примеры и задачи составлены так, чтобы обратить внимание студентов на обоснованность использования определенных формул, на конкретное физическое содержание при данных условиях. Учебное пособие предназначено в первую очерель для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Автоматика и телемеханика», «Электронные вычислительные машины», «Промышленная электроника», «Автоматизированные системы управления», и может быть полезно студентам других специальностей, связанных с проектированием радиоэлектронной аппаратуры.

Материал учебного пособия распределен между авторами следующим образом: предисловие, гл. 1, 2 написаны В. А. Тереховым, гл. 3 — 5 и 7 — В. Н. Серовым, гл, б — Г. И. Изъюровой, гл. 10, 11, 12, 13 и 14 — Г. В. Королевым, гл. й и 9 — Г. В. Королевым и М. А. Ожогиным. Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам рукописи — коллективу кафедры «Автоматизация проектирования» Московского высшего технического училища им. Н. Э. Баумана (зав. кафедрой — проф.

И. П. Норенков) и доц. кафедры «Электрофизика» Московского энергетического института (зав. кафедрой — проф. В. Г. Миронов) А. А. Голикову — за полезные замечания и советы. Авторы искренне признательны доц. С. И. Баскакову, взявшему на себя труд по редактированию пособия. Замечания и пожелания по улучшению содержания кншн просим присылать по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д.

29/14, издательство «Высшая школа». Л«г»сры ГЛАВА 1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ $ 1 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРО11ЕССЫ В р-и-ПЕРЕХОДЕ Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-л-переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна нэ которых имеет электронную электропроводносгь, другая — дырочную. Разность потенциалов ф„в переходе, обусловленную градиентом концентрации носителей заряда, называют контакпюй разностью потенциалов".

кт й(,к„йт р„ <р„.= 1и ' = — 1и — ", (1. 1) е па е р„ где й — постоянная Больцмана; е — заряд электрона; Т вЂ” температура; )у, и )ׄ— концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; рр и р„- концентрапии дырок в р- и п-областях соответственно; и, — собственная концентрация. Обычно контактная разность потенциалов имеет порядок десятых долей вольт. Толщину несимметричного резкого р-я-перехода рассчитывают по формуле (! 2) где с — относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника; е„— лиэлектрнческая постоянная свободного пространства. Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок от сотых долей до единиц микрометров.

Полупроводниковый прибор с р-в-переходом, имеюгдий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (рнс. 1.1). Одна из областей р-н-структуры (р»), называемая эмнттером, имеет ббльшую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой. Статическая ° вальт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода изображена иа рис. 1.2. Здесь же пунктиром по. казана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением 1=1о(еих чй 1), (! 3) Рис 1Л где 1о — обратный ток насыщения (ток эксгракцин, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); У вЂ” напряжение на р-л-переходе; ср, = = АТ/е — температурный потенциал (к — постоянная Больцмана, Т вЂ” температура, е — заряд электрона); гл — поправочный коэффициент: п~ = 1 лля германиевых р-л-переходов и т = 2 лля кремниевых р-л-переходов при малом токе.

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми вследствие более низкой концентрапии неосновных носителей заряда Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ у кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых. Влияние температуры на вольт-амперные характеристики. Навалы-амперныехарахтеристики диода оказывает существенное влияние температура окружающей среды.

При увеличении температуры абратиьш ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10'С. Для германиевых диодов (1.4) 1 (7) 1,~1т-тядо 1 „мл 5 бе где ток 1о, измерен при температуре Т,. Если через германиевый диод протекает постоянный ток, при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2,5 мВ/'С: ЛУ/ИТ я: — 2,5 мВ/'С. Для диодов в интегральном исполнении ИУ/яТ составляет от — 1,5 мВ/'С в нормальном режиме до -2 мВ/'С в режиме микротоков.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 — 100 "С для германиевых диодов и 150 — 200'С для кремниевых. Минимально допустимая температура диода лежит в пределах — (б0 —: 70)'С. Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения иа диоде к вызванному им приращению тока: г Š— — ЛУ/о1.

Из выражения (1.3) следует, что гдиф ФтД (1.7) П р об ой да ода. При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 1.3). Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате всадействия сильного электрического поля в р-л-переходе (рнс. 1.3, кривая а) (электрический пробой может быть туннельным или лавинным), либо в результате разогрева перехода прн протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (рис.

1.3, кривая б) (тепловой пробой). Электрический пробой обратим, т.е. он не приводит к поврежпению диола, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является 1рр гегрер необратимым. Нормальная работа диода в качестве элемента ре ремер с односторонней проводи- т мастью возможна лишь в режи- 1 ргр Р 1 мах, когда обратное напряже- др ине не превышает пробивного а значения. Возможность теплового пробоя диода учитывает- Рие. 1.3 гб - — — -+ —— 1 1 Рис, дб где т — время жизни носи- телей заряда; 1„— прямой ток.

ся указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения (б„р и температурного диапазона работы. Напряжение пробоя зависит от типа диода н температуры окружающей среды. Значение допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5+ 0,8) (1„р„в. Емкости диода.

Принято говорить об общей емкости диода С„измеренной между выводамн днола при заданных напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости Св, диффузионной емкости С е и емкости корпуса прибора С„. Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарялом, сосредоточенным по обе стороны от границы р-л-перехода. Барьерная емкость равна отношению приращения заряда на р-л-переходе к вызвавшему его приращению напряжения: С,= — =П Щ ееЛр (1.8) Ж . г( „+(б)' где е — диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; П вЂ” площадь р-л-перехода. Из формулы (1.8) следует, что барьерная емкость зависит от площади перехода П, напряжения на переходе (1, а также от концентрации примесей.