Статические характеристики для схемы с общим эмиттером . <...> Зона проводимости WЗапрещенная зона Валентная зона Рис. <...> Расщепление энергетических уровней электронов в твердых телах Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, называется зоной проводимости. <...> Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная зона. <...> Так, в металлах зона проводимости частично заполнена, и под действием температуры электроны могут переходить из полностью заполненных зон в зону проводимости. <...> При температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости совершенно пуста, поэтому эти вещества проводить ток не могут. <...> Структура связей атома кремния в кристаллической решетке При температуре абсолютного нуля ( T 0 К T 0 K) все энергетические состояния внутренних зон и валентная зона заняты электронами полностью, а зона проводимости совершенно пуста. <...> Поэтому в этих условиях кристалл полупроводника является практически диэлектриком. <...> Одновременно с этим у того атома полупроводника, от которого отделился электрон, возникает незаполненный энергетический уровень в валентной зоне, называемый дыркой. <...> Рассмотрим монокристалл полупроводника, например кремния, в кристаллическую решетку которого введено некоторое количество атомов примеси (рис. <...> Атом примеси располагается в узле кристаллической решетки, а его валентные электроны устанавливают прочные ковалентные связи с соседними атомами полупроводника. <...> Зонная диаграмма (а) и распределение электронов по энергетическим уровням (б) полупроводника с донорными примесями Атом примеси, потеряв один электрон, становится положительно заряженным ионом с единичным положительным зарядом, но он остается в узле кристаллической решетки, и в отличие от «дырки», тоже имеющей единичный положительный заряд, он не может перемещаться внутри кристалла, т. к. связан с соседними атомами полупроводника <...>
Физические_основы_электроники.pdf
УДК 621.38:53(075.8)
ББК 32.85:22.3я73
Г52
Глазачев А.В.
Г52
Физические основы электроники: учебное пособие / А.В. Глазачев,
В.П. Петрович; Томский политехнический университет.
Томск Изд-во Томского политехнического университета, 2013.
208 с.
В учебном пособии
усилительных
изложены
каскадов,
физические
операционных
процессы
в
полупроводниковых приборах, их основные свойства, характеристики и
параметры, конструктивно-технологические особенности. Рассмотрена
схемотехника
преобразовательных устройств средней и большой мощности.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 140400
«Электроэнергетика и электротехника».
УДК 621.38:53(075.8)
ББК 32.85:22.3я73
усилителей,
Рецензенты
Кандидат технических наук
заместитель директора по научной работе
обособленного подразделения НИИ АЭМ ТУСУРа
И.В. Целебровский
Кандидат технических наук,
доцент кафедры электроники и автоматики
физических установок СТИ НИЯУ МИФИ
А.А. Филипас
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013
© Глазачев А.В., Петрович В.П., 2013
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2013
2
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 6
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ........................................................... 8
1.1. Энергетические уровни и зоны ............................................................. 8
1.2. Проводники, полупроводники и диэлектрики .................................... 9
1.3. Собственная электропроводность полупроводников ....................... 11
1.4. Распределение электронов по энергетическим уровням ................. 14
1.5. Примесная электропроводность полупроводников .......................... 15
1.5.1. Донорные примеси ................................................................... 15
1.5.2. Акцепторные примеси ............................................................. 17
1.6. Процессы переноса зарядов в полупроводниках .............................. 19
1.6.1. Дрейф носителей заряда .......................................................... 19
1.6.2. Диффузия носителей заряда ................................................... 20
1.7. Электрические переходы .................................................................... 22
1.7.1. Электронно-дырочный переход ............................................. 22
1.7.2. Вентильное свойство p–n-перехода ....................................... 26
1.7.3. Вольт-амперная характеристика р–n-перехода .................... 30
1.7.4. Виды пробоев p–n-перехода ................................................... 32
1.7.5. Емкость р–n-перехода ............................................................. 35
1.7.6. Контакт «металл–полупроводник» ........................................ 37
1.7.7. Контакт между полупроводниками
одного типа проводимости ..................................................... 39
1.7.8. Гетеропереходы ........................................................................ 40
1.7.9. Свойства омических переходов .............................................. 42
Контрольные вопросы и задания ........................................................ 44
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ ............................................................ 45
2.1. Общие сведения о диодах ................................................................... 45
2.2. Выпрямительные диоды ...................................................................... 47
2.3. Импульсные диоды .............................................................................. 57
2.4. Туннельные диоды ............................................................................... 59
2.5. Обращенный диод ................................................................................ 63
2.6. Диоды Шоттки ..................................................................................... 64
2.7. Варикапы ............................................................................................... 65
2.8. Стабилитроны ....................................................................................... 66
2.9. Стабисторы ........................................................................................... 69
3
Стр.3
2.10. Применение полупроводниковых диодов ......................................... 70
2.10.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления ......... 71
2.10.2. Двухполупериодная схема выпрямления
со средней точкой .................................................................... 75
2.10.3. Однофазная мостовая схема ................................................... 76
2.10.4. Параметрический стабилизатор напряжения ........................ 78
Контрольные вопросы и задания ................................................................... 80
3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ................................................................. 81
3.1. Структура и основные режимы работы ............................................. 81
3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе ........................... 84
3.3. Схемы включения транзистора .......................................................... 87
3.3.1. Схема с общей базой ............................................................... 88
3.3.2. Схема с общим эмиттером ...................................................... 89
3.3.3. Схема с общим коллектором .................................................. 91
3.4. Статические характеристики биполярного транзистора ................. 94
3.4.1. Статические характеристики для схемы с общей базой ...... 95
3.4.2. Статические характеристики
для схемы с общим эмиттером ............................................... 96
3.5. Эквивалентные схемы транзистора .................................................. 101
3.6. Транзистор как линейный четырехполюсник ................................. 102
3.7. Режимы работы транзистора ............................................................. 108
3.8. Предельные режимы работы транзистора ....................................... 110
3.9. Расчет рабочего режима транзистора .............................................. 111
3.10. Динамические характеристики транзистора ................................... 114
3.11. Режимы работы усилительных каскадов ......................................... 117
3.11.1. Режим класса А ....................................................................... 117
3.11.2. Режим класса В ....................................................................... 118
3.11.3. Режим класса АВ .................................................................... 120
3.11.4. Режим класса С ...................................................................... 122
3.11.5. Режим класса D ...................................................................... 123
3.12. Влияние температуры на работу усилительных каскадов ............. 128
3.12.1. Схема эмиттерной стабилизации ......................................... 129
3.12.2. Схема коллекторной стабилизации ...................................... 130
3.13. Составной транзистор ........................................................................ 131
3.14. Усилители постоянного тока ............................................................ 133
3.14.1. Дифференциальные усилители ............................................. 134
3.14.2. Операционный усилитель ..................................................... 136
3.14.3. Схемотехника операционных усилителей ........................... 137
3.14.4. Основные схемы на операционных усилителях ................. 138
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 143
4
Стр.4
4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ....................................................................... 144
4.1. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом .................... 144
4.2. Схемы включения полевых транзисторов ....................................... 147
4.3. Статические характеристики полевых транзисторов ..................... 147
4.4. Основные параметры полевых транзисторов ................................. 149
4.5. Полевые транзисторы с изолированным затвором ......................... 150
4.5.1. Полевой транзистор с изолированным затвором
со встроенным каналом ......................................................... 151
4.5.2. Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом 153
4.5.3. Сравнение МДП- и биполярного транзистора .................... 155
4.6. Комбинированные транзисторы ....................................................... 158
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 161
5. ТИРИСТОРЫ ................................................................................................. 162
5.1. Динисторы .......................................................................................... 162
5.2. Триодные тиристоры ......................................................................... 165
5.2.1. Способы запирания тиристоров ........................................... 169
5.2.2. Запираемые тиристоры .......................................................... 171
5.3. Симметричные тиристоры ................................................................ 172
5.4. Основные параметры тиристоров .................................................... 174
5.5. Применение тиристоров .................................................................... 175
5.5.1. Управляемые выпрямители .................................................. 175
5.5.2. Регуляторы переменного напряжения ................................. 177
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 179
6. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ........... 180
6.1. Фотоэлектрические приборы на основе внешнего фотоэффекта . 181
6.1.1. Фотоэлементы ........................................................................ 182
6.1.2. Фотоэлектронные умножители ............................................ 184
6.2. Фотоэлектрические приборы
на основе внутреннего фотоэффекта ............................................... 186
6.2.1. Фоторезисторы ....................................................................... 186
6.2.2. Фотодиоды .............................................................................. 189
6.2.3. Фототранзисторы ................................................................... 195
6.2.4. Фототиристоры ...................................................................... 196
6.3. Светодиоды ......................................................................................... 197
6.4. Оптоэлектронные устройства ........................................................... 205
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 206
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................. 207
5
Стр.5