Основы полупроводниковой электроники (500,00 руб.)

Стр.1

Стр.1

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.391

Стр.392

Стр.393

Стр.1

Д. В. Игумнов Г. П. Костюнина ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ОСНОВЫ 2-е издание, дополненное Допущено УМО по образованию в области прикладной информатики в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Прикладная информатика» и другим междисциплинарным специальностям Москва Горячая линия - Телеком 2011

Стр.1

 621.396.6  32.852 28      : .-. ,  . .   . ,  . .   . .,  . . 28   .    . – 2-., . – .:   – , 2011. – 394 .: . ISBN 978-5-9912-0180-3.           .        ,   ,    .    .             .    (      1995 .)     ,   «  »    «».   ,       ,   ,       .  32.852     WWW.TECHBOOK.RU     ,         2- ,   . .   . .   - . .     02.03.11.  6090 1/16., . . . 24,5. . 110180.  1000 (1-  500 .) ISBN 978-5-9912-0180-3 © . . , . . , 2011 ©  « –», 2011

Стр.2

ПРЕДИСЛОВИЕ Электроникой принято называть широкую область науки и тех ники, охватывающую изучение процессов переноса и взаимодей ствия электрических зарядов в материалах и приборах, изготов ленных на их основе, разработку этих приборов и создание устройств обработки и хранения информации, а также общие воп росы применения электронных устройств. В электронике можно выделить ряд основных направлений: физическую электронику, прикладную информационную электронику, энергетическую про мышленную электронику и др. Конечно, особо следует предста вить одну из лидирующих в современном развитии среди облас тей электроники – микроэлектронику, являющуюся основной частью полупроводниковой электроники. Именно благодаря мик роэлектронике на сегодняшний день трудно найти область науки и техники, где электроника еще не нашла своего применения. Однако современный уровень развития требует все большего насыщения различными электронными устройствами научно исследовательских, оборонных, промышленных и других объектов. История электроники относительно коротка. Предтечей ее следует считать открытие радио нашим соотечественником А. С. Поповым в 1895 г. Один из первых значительных шагов на пути развития электроники сделал американский изобретатель Л. де Форест, предложивший в 1906 г. первый усилительный элек тронный элемент – ламповый триод. В 1920 г. О. В. Лосевым был впервые использован полупроводниковый элемент для получе ния усиления и генерации электрических сигналов. Примерно со времени этого события происходит постепенное нарастание ин тересов к полупроводниковой электронике, и хотя практически она остается «чисто ламповой», все больше и больше выполня ется интересных исследований по физике полупроводников и полупроводниковых элементов, среди которых одно из веду щих мест занимали работы А. Ф. Иоффе и его учеников. Из работ этого периода развития электроники следует отметить статью немецкого физика В. Шотки, разработавшего теорию контакта металлполупроводник, который широко используется в совре 3

Стр.3

менной полупроводниковой электронике. Особо выделим осно вополагающее изобретение американского инженера Г. Блэка по использованию отрицательной обратной связи. Сейчас ясно лю бому электронщику, что без отрицательных обратных связей даже невозможно представить себе современную электронику. Одна ко тогда, в 1928 г., патентное ведомство США назвало это фунда ментальное предложение «глупой затеей». В 1948 г. американские физики Дж. Бардин и В. Браттейн об наружили эффект усиления тока в полупроводниковой структуре с двумя рn переходами. Это революционное событие в элект ронике привело к созданию В. Шокли биполярного транзистора – основного и на сегодняшний день активного (усилительного) эле мента полупроводниковой электроники. В дальнейшем электро ника стала развиваться очень быстрыми темпами: ежегодно появлялись новые типы полупроводниковых приборов, улуч шалась технология их изготовления, создавались различные ус тройства информационной и энергетической электроники и т.д. Электроника становится незаменимой помощницей во многих об ластях производства и науки, обороны и космических исследо ваний. В конце шестидесятых годов появляются первые изделия микроэлектроники – интегральные схемы (микросхемы), которые быстро совершенствовались и стали основными изделиями со временной электроники. Современная электроника – это полупроводниковая электро ника. Сегодняшний этап ее развития характеризуется быстро растущей степенью интеграции; уже созданы интегральные схе мы, содержащие на одном полупроводниковом кристалле более 106 элементов. В перспективе развития полупроводниковой элек троники намечается функциональное укрупнение конструктивных единиц за счет использования новых физических явлений, позво ляющих с помощью простых нерасчленяемых структур осуще ствить функции, обычно реализуемые с помощью многоэлемен тной сложной цепи или устройства. Реализация такого принципа соответствует появлению новых типов изделий полупроводни ковой электроники. Они и представляют собой новый этап раз вития электроники – функциональную электронику. Каждый технически грамотный человек должен знать элект ронику. Посильный вклад в решение этой задачи стремятся вне сти и авторы настоящей книги. Ее материал изложен в достаточно краткой форме. Книга предназначается для широкого круга ин 4

Стр.4

женернотехнических специалистов смежных с электроникой областей, которые занимаются вопросами, требующими от них дополнительных знаний по электронике. В настоящей книге авторы стремились изложить материал таким образом, чтобы, сохранив известную строгость, дать возможность сравнительно легко разобраться в нем лицам, которые не получили фундамен тальной подготовки по физике и электротехнике. Она может быть использована и как дополнительное учебное пособие для студен тов соответствующих факультетов вузов и техникумов. Предлагаемая вниманию читателей книга содержит 17 глав. В первых пяти главах сообщаются необходимые сведения о по лупроводниковых элементах, на основе которых выполняются со временные электронные устройства. Последующие пять глав по священы рассмотрению разнообразных, прежде всего микро электронных усилителей. В гл. 11 описаны частотноизбиратель ные устройства, а в гл. 12 – вторичные источники электропита ния. Последние пять глав посвящены устройствам дискретного действия: транзисторным ключам, логическим элементам, уст ройствам памяти, генераторам импульсных сигналов и некото рым цифровым устройствам. В книге использованы фрагменты лекций, читаемых авторами в течение многих лет в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики. Авторы благодарны Бабенко В. П., Дрожжеву В. В., Изъюро вой Г. И., Королеву Г. В., Левинсону Г. Р. и Матсону Э. А. за крити ческие замечания и советы, сделанные при обсуждении отдельных разделов книги. 5

Стр.5

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ............................................................................... 3 Глава 1. Свойства электроннодырочных переходов ........................ 6 1.1. Структура и энергетические зоны полупроводников ............................................. 6 1.2. Примесные полупроводники .............................................................................. 9 1.3. Основные параметры полупроводников ........................................................... 13 1.4. Проводимость полупроводников ..................................................................... 15 1.5. Структура и основные свойства pn перехода .................................................... 17 1.6. Вольтамперная характеристика pn перехода ................................................... 22 1.7. Емкости pn перехода .................................................................................... 26 1.8. Обратный ток pn перехода ............................................................................. 27 1.9. Пробой pn перехода ...................................................................................... 29 Глава 2. Полупроводниковые диоды ............................................. 32 2.1. Силовые диоды .............................................................................................. 32 2.2. Опорные диоды .............................................................................................. 33 2.3. Диоды ВЧ и СВЧ............................................................................................. 36 2.4. Варикапы ...................................................................................................... 38 2.5. Туннельные диоды .......................................................................................... 39 2.6. Генераторные диоды ...................................................................................... 41 2.7. Фотодиоды .................................................................................................... 43 2.8. Светодиоды ................................................................................................... 45 Глава 3. Биполярные транзисторы ............................................... 47 3.1. Принцип действия .......................................................................................... 47 3.2. Вольтамперные характеристики ...................................................................... 50 3.3. Усилительные параметры и эквивалентные схемы ............................................ 54 3.4. Частотные параметры .................................................................................... 60 3.5. Транзисторы ВЧ и СВЧ ................................................................................... 64 3.6. Режимы работы ............................................................................................. 67 3.7. Максимальные предельные режимы ................................................................ 69 3.8. Лавинные транзисторы и тиристоры ................................................................. 73 Глава 4. Полевые транзисторы ................................................... 76 4.1. Полевой транзистор с pn переходом ............................................................... 76 4.2. Транзистор со статической индукцией .............................................................. 83 4.3. МДПтранзистор ........................................................................................... 85 4.4. Разновидности полевых транзисторов ............................................................. 92 4.5. Прибор с зарядовой связью ............................................................................ 94 Глава 5. Элементы интегральных схем......................................... 97 5.1. Классификация интегральных схем ................................................................. 97 5.2. Резисторы .................................................................................................... 99 5.3. Конденсаторы ............................................................................................. 102 5.4. Катушки индуктивности ................................................................................. 104 5.5. Биполярные транзисторы ............................................................................. 106 5.6. Диоды ......................................................................................................... 111 5.7. Полевые транзисторы .................................................................................. 114 5.8. Особенности функциональной электроники .................................................... 116 5.9. Элементы акустоэлектроники ........................................................................ 117 Глава 6. Усилительные каскады на транзисторах ........................ 121 6.1. Общие сведения .......................................................................................... 121 6.2. Основиые параметры и характериcтики.......................................................... 123 6.3. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ) ..... 126 6.4. Стабилизация режима покоя каскада на биполярном транзисторе .................... 134 6.5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общей базой (ОБ) ............. 137 391

Стр.391

6.6. Эмиттерный повторитель .............................................................................. 139 6.7. Разновидности эмиттериых повторителей ...................................................... 142 6.8. Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим истоком (ОИ) .............. 144 6.9. Истоковый повторитель ................................................................................ 149 6.10. Фазоинверсный и каскодный усилители........................................................ 153 6.11. Усилители на биполярных и полевых транзисторах......................................... 155 Глава 7. Усилители с обратной связью ....................................... 157 7.1. Общие сведения .......................................................................................... 157 7.2. Последовательная обратная связь по напряжению ......................................... 159 7.3. Последовательная обратная связь по току ..................................................... 162 7.4. Усилители с последовательной ООС .............................................................. 163 7.5. Параллельная обратная связь по току ............................................................ 169 7.6. Параллельная обратная связь по напряжению ............................................... 170 7.7. Усилители с параллельной ООС .................................................................... 171 7.8. Дополнительные сведения по обратным связям ............................................. 175 Глава 8. Усилители мощности ................................................... 177 8.1. Общие сведения .......................................................................................... 177 8.2. Классы усиления ......................................................................................... 178 8.3. Однотактные усилители мощности ................................................................ 180 8.4. Двухтактные усилители с трансформаторной связью ...................................... 184 8.5. Бестрансформаторные усилители мощности ................................................. 187 Глава 9. Усилители постоянного тока ......................................... 192 9.1. Общие сведения .......................................................................................... 192 9.2. Дрейф нуля усилителя .................................................................................. 192 9.3. Однотактные усилители прямого усиления ..................................................... 194 9.4. Усилители с преобразованием ...................................................................... 197 9.5. Дифференциальные усилители ..................................................................... 201 9.6. Схемы включения дифференциального усилителя .......................................... 205 9.7. Коэффициент ослабления синфазного сигнала .............................................. 208 9.8. Разновидности дифференциальных усилителей .............................................. 210 9.9. Точностные параметры ................................................................................. 212 Глава 10. Операционные усилители ........................................... 215 10.1. Общие сведения ........................................................................................ 215 10.2. Основные параметры и характеристики ........................................................ 217 10.3. Инвертирующий усилитель ......................................................................... 224 10.4. Неинвертирующий усилитель ...................................................................... 229 10.5. Разновидности усилительных устройств на ОУ .............................................. 232 10.6. Коррекция частотных характеристик ............................................................. 235 10.7. Управляемые источники на ОУ .................................................................... 238 Глава 11. Частотноизбирательные устройства ........................... 241 11.1. Общие сведения ........................................................................................ 241 11.2. Пассивные фильтры и их характеристики ...................................................... 241 11.3. Резонансные усилители .............................................................................. 246 11.4. Активные фильтры ...................................................................................... 249 11.5. Гираторы ................................................................................................... 258 11.6. Генераторы синусоидальных колебаний ........................................................ 259 11.7. LCгенераторы ........................................................................................... 261 11.8. Кварцевые генераторы ............................................................................... 263 11.9. RCгенераторы .......................................................................................... 266 Глава 12. Вторичные источники питания ..................................... 269 12.1. Общие сведения ........................................................................................ 269 12.2. Структурные схемы ..................................................................................... 269 12.3. Выпрямители на диодах .............................................................................. 271 392

Стр.392

12.4. Синхронные выпрямители ........................................................................... 275 12.5. Сглаживающие фильтры ............................................................................. 276 12.6. Стабилизаторы напряжения ........................................................................ 279 12.7. Стабилизаторы тока ................................................................................... 284 12.8. Устройства умножения напряжения ............................................................. 285 12.9. Преобразователи постоянного напряжения в переменное ............................. 287 12.10. Преобразователи постоянного напряжения ................................................ 290 12.11. Особенности низковольтных выпрямителей ................................................ 292 Глава 13. Транзисторные ключи ................................................ 297 13.1. Общие сведения ........................................................................................ 297 13.2. Статический режим ключа на биполярном транзисторе ................................. 298 13.3. Динамический режим ключа на биполярном транзисторе .............................. 301 13.4. Способы повышения быстродействия ........................................................... 304 13.5. Помехоустойчивость ключей ....................................................................... 308 13.6. Ключи на однотипных МДПтранзисторах ..................................................... 310 13.7. Ключи на комплементарных МДПтранзисторах ........................................... 314 13.8. Ключи на МЕПтранзисторах ....................................................................... 315 Глава 14. Логические элементы ................................................ 316 14.1. Общие сведения ........................................................................................ 316 14.2. Основные логические функции .................................................................... 317 14.3. Транзисторная логика с непосредственными связями .................................. 318 14.4. Транзисторная логика с резистивноемкостными связями ............................ 320 14.5. Диоднотранзисторная логика .................................................................... 321 14.6. Транзисторнотранзисторная логика ........................................................... 322 14.7. Транзисторная логика с эмиттерными связями ............................................ 326 14.8. Интегральная инжекционная логика ............................................................. 329 14.9. МДПтранзисторная логика ........................................................................ 332 14.10. Комплементарная МДПтранзисторная логика ........................................... 334 14.11. Преобразователи уровней логических элементов ........................................ 335 Глава 15. Элементы и устройствапамяти.................................... 338 15.1. Общие сведения ........................................................................................ 338 15.2. Постоянные запоминающие устройства ....................................................... 338 15.3. Бистабильные ячейки ................................................................................. 340 15.4. Триггеры ................................................................................................... 341 15.5. Динамические запоминающие элементы .................................................... 346 15.6. Триггер Шмитта ......................................................................................... 348 Глава 16. Формирователи и генераторы импульсных сигналов ..... 351 16 1. Прохождение импульса в RCцепи ................................................................ 351 16.2. Ограничители амплитуды импульсов ........................................................... 354 16.3. Мультивибраторы....................................................................................... 357 16.4. Одновибраторы .......................................................................................... 363 16.5. Блокинггенераторы ................................................................................... 366 16.6. Специализированные импульсные ИС .......................................................... 367 16.7. Генераторы линейно изменяющегося напряжения ........................................ 369 Глава 17. Цифровые устройства ................................................ 374 17.1. Общие сведения ........................................................................................ 374 17.2. Комбинационные цифровые устройства ....................................................... 375 17.3. Последовательные цифровые устройства ..................................................... 379 17.4. Цифроаналоговые и аналогоцифровые преобразователи ............................ 383 17.5. Микропроцессоры ...................................................................................... 386 Заключение ................................................................................................. 389 Библиографический список ....................................................................... 390 Оглавление .................................................................................................. 391 393

Стр.393