Е.А. Москатов - Электронная техника

Е. А. МоскатовЭЛЕКТРОННАЯТЕХНИКАг. Таганрог, 2004 г.Е. А. Москатов. Стр. 1Специальная редакция для журнала «РАДИО»Москатов Е. А. Электронная техника. Специальная редакция для журнала“Радио”. – Таганрог, 2004. – 121 стр.Рецензент к.т.н. Гайно Евгений Владимирович.Автор выражает благодарность уважаемому Владимиру Чуднову за ценные замечания при подготовке рукописи.Автор выражает благодарность своему учителю – Александру ВладимировичуКнышу.Лицензионное соглашениеДанную книгу разрешается копировать, размножать и печатать, если это делается на некоммерческой основе и не извлекается выгода.

В случае её коммерческого применения, например, если Вы хотите продавать, сдавать в прокат, арендувсю книгу «Электронная техника» или любую её часть, то на это требуется согласие её автора (Москатова Евгения Анатольевича) за гонорар. Перекомпоновка книги запрещается. Запрещается изменять содержимое книги, удалять сведения об авторстве. Книга распространяется “как есть”, то есть её автор не несётответственности за возможный ущерб, упущенную выгоду и прочее. В случаенекоммерческой публикации (например, на сервере бесплатных материалов)следует поставить автора в известность, а также явно указать авторство и источник, с которого произведена публикация.

Это же относится и к случаю публикации книги на диске (или ином носителе информации) приложения к журналу.Для связи с автором можно воспользоваться услугами электронной почты и написать письмо по адресу moskatov@mail.ru. Если Вам интересно, то можете посетить мой сайт http://www.moskatov.narod.ru/index.html, на котором можнонайти, кроме копии этой книги, ещё и технические программы, их исходные тексты, текстовые редакторы и много другой интересной информации.Е.

А. Москатов. Стр. 2ПредисловиеПеред Вами книга «Электронная техника». Для кого она? Для студентов и преподавателейтехникумов, технических колледжей и ВУЗов, для людей, которые хотят узнать процессы,происходящие в радиоаппаратуре и в электрических деталях, составляющих её. Чем книга отличается от многих других, написанных по этой тематике? В большинстве книг содержатсяразвёрнутые описания процессов, происходящих в элементах и узлах аппаратуры, обычно изложенные настолько сложно и непонятно, что в данной литературе способен разобраться развечто её автор или крупный специалист в электронике. В других книгах, озаглавленных «Электроника», «Электронная техника» или подобным образом, зачастую содержится материал, совершенно не соответствующий программам учебнообразовательных заведений и планам министерства образования.

Частенько пишут не то, что является базой курса, а то, что знают.Книга, которая сейчас перед Вами, лишена подобных недостатков. Её автор попытался в наиболее сжатой форме, доступной студентам, рассказать о наиболее важных процессах в электрических элементах и узлах аппаратуры, которые являются базой для успешного прохождения многих других специальных дисциплин. Данный учебник является, по существу, основойдля проведения лекций, поэтому, скорее всего, заинтересует преподавателей соответствующего предмета.Я надеюсь, что книга «Электронная техника» окажется для Вас нужной и полезной.Евгений Анатольевич МоскатовЗима, 2004г.Е. А. Москатов.

Стр. 3Электронно-дырочные иметаллополупроводниковые переходыДвижение электронов вэлектрических и магнитных полях1)2)3)4)5)Движение электронов в ускоряющем электрическом полеДвижение электрона в тормозящем электрическом полеДвижение электрона в поперечном электрическом полеДвижение электрона в магнитных поляхЗонная энергетическая диаграммае = 1,6∙10-19 Клm = 9,1∙10-31 кгConst1) Движение электронов в ускоряющем электрическом поле.

Рассмотримоднородное электрическое поле с напряжённостью Е=U/d.U+dF0-Рис. 1На единичный положительный заряд, помещённый в электрическое поле, действует сила, равная по величине напряжённости этого поля.F = E – для единичного положительного заряда.F = - e ∙ E – для электрона.Знак «-» показывает, что сила действующая на электрон, направлена против линии напряжённости электрического поля. Под действием данной силы электрон будет двигаться равноускоренно и приобретёт максимальную скорость в конце пути. Поле, линии напряжённости которого направлены навстречу вектору начальной скорости электрона 0, называется ускоряющим электрическим полем. Определим максимальную скорость электрона.

Работа по перемещению электрона из одной точки поля в другую равна произведению заряда электрона на разность потенциалов между этими точками.A=e∙UДанная работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии.m⋅−0 2 ,Wк=2где  – конечная скорость электрона.Будем считать, что 0 = 0A = Wк,Е.

А. Москатов. Стр. 4m⋅2 ,e⋅U =2,2 ⋅e=⋅Umтак как e и m - константы, то ≈600 ⋅ U .Из последней формулы видно, что скорость электрона в электрическом поле определяетсятолько величиной напряжения между двумя точками поля, и поэтому скорость электрона иногда характеризуют этим напряжением.2) Движение электрона в тормозящем электрическом поле.UF +d-0Рис. 2Под действием силы F электрон будет двигаться равнозамедленно, в какой-то точке поля оностановится и начнёт двигаться в обратном направлении.

Электрическое поле, линиинапряжённости которого совпадают по направлению с вектором начальной скорости электрона, называется тормозящим электрическим полем.3) Движение электрона в поперечном электрическом поле.Поперечным электрическим полем называется поле, линии напряжённости которого перпендикулярны вектору начальной скорости электрона.U+dF0-Рис. 3За счёт действия силы F возникает вертикальная составляющая скорости электрона, котораябудет всё время увеличиваться. Начальная скорость 0 остаётся постоянной, в результате чеготраектория движения электрона будет представлять собой параболу.

При вылете электрона запределы действия поля он будет двигаться по прямой.4) Движение электрона в магнитных полях.F = B∙e∙0∙sinα – сила Лоренца.При α = 900 получим sinα = 1.При α = 900 траектория будет представлять собой дугу окружности.Е. А. Москатов. Стр. 5SBFл0SB0αN-NРис. 4Рис. 5Когда α ≠ 900, вектор скорости электрона можно разложить на две составляющие – поперечную и продольную относительно направления магнитных силовых линий (рис. 5).

Под действием поперечной составляющей электрон будет двигаться по окружности, а под действиемпродольной составляющей - двигаться поступательно. В результате траектория будет представлять собой спираль.5) Зонная энергетическая диаграмма.У проводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков валентные электроны удерживаются ковалентными связями, у полупроводников структура как у диэлектриков, но ковалентные связи значительно слабее.

Достаточно сравнительно небольшого количества энергии, получаемой из внешней среды (температура, освещённость, сильное электрическое поле) чтобы электроны полупроводника разорвали ковалентные связи и стали свободными.Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, удерживаемого ковалентнойсвязью, называется зоной валентности, или валентной зоной.Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, разорвавшего ковалентнуюсвязь и ставшего свободным, называется зоной проводимости.Графическое изображение этих энергетических зон называется зонной энергетическойдиаграммой.WWпДля полупроводниковЗона проводимости W=Wп-WвЗапрещённая зонаWвЗона валентностиРис.

6Е. А. Москатов. Стр. 6Для того, чтобы электрон смог разорвать ковалентную связь и стать свободным, он долженполучить энергию, большую ширины запрещённой зоны.Для диэлектриковWД ля пров одниковWЗона проводимостиWпЗ она пров одимости W=Wп-WвЗапрещённая зонаWвWпЗ она в алентностиWвЗона валентностиРис. 7Р ис. 8Электропроводность полупроводников1) Собственная проводимость полупроводников2) Примесная проводимость полупроводников3) Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках1) Собственная проводимость полупроводников. Собственным полупроводником,или же полупроводником i-типа называется идеально химически чистый полупроводник соднородной кристаллической решёткой.GeSi4-х валентныКристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть определена следующим образом.--Si--Si-Si---Si---+-+-Si--+--Si--Рис.

9Если электрон получил энергию, большую ширины запрещённой зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет по-Е. А. Москатов. Стр. 7ложительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой. В полупроводнике i-типа концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi. То есть ni=pi.Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда.Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и приэтом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессерекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителейзаряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счётсобственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.2) Примесная проводимость проводников.Так как у полупроводников i-типа проводимость существенно зависит от внешних условий, вполупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.SiSi+-РSiSiРис.

10Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остаётся свободным.За счёт этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок.Примесь, за счёт которой ni>pi, называется донорной примесью.Полупроводник, у которого ni>pi, называется полупроводником с электронным типомпроводимости, или полупроводником n-типа.В полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.SiSi+В+SiSiРис. 11При введении трёхвалентной примеси три её валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвёртая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т.

е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.Е. А. Москатов. Стр. 8Примесь, при которой pi>ni, называется акцепторной примесью.Полупроводник, у которого pi>ni, называется полупроводником с дырочным типомпроводимости, или полупроводником p-типа.В полупроводнике p-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны – неосновными носителями заряда.Реальное количество примесей в полупроводнике составляет примерно 1015 1/см3.3) Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.Дрейфовый ток в полупроводнике – это ток, возникающий за счёт приложенного электрического поля.

При этом электроны движутся навстречу линиям напряжённости поля, а дырки –по направлению линий напряжённости поля. Диффузионный ток – это ток, возникающий из-занеравномерной концентрации носителей заряда.n2>n1. n2-n1=Δn.En2n1xРис. 12Отношениеnx– это градиент неравномерности концентрации примесей. Величина диф-фузионного тока будет определяться градиентом неравномерностиnIn.диф=e⋅Dn⋅,xpIp.диф=−e⋅Dp⋅,xnxи будет составлятьгде Dp и Dn – коэффициенты диффузии.Электронно-дырочный (p-n) переход1) Образование электронно-дырочного перехода2) Прямое и обратное включение p-n перехода3) Свойства p-n перехода1) Образование электронно-дырочного перехода. Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт которого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси.