Хандогін м

1. ВВЕДЕННЯ. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДАХ

1.1. Визначення електронних приладів. Класифікація електронних приладів

Електронні прилади - це пристрої, робота яких заснована на використанні електричних, теплових, оптичних і акустичних явищ в твердому тілі, рідини, вакуумі, газі або плазмі.

Найбільш загальні функції, що їх електронними приладами, складаються в перетворенні інформаційних сигналів або енергії.

Сама назва «електронні прилади» вказує на те, що всі процеси перетворення сигналів і енергії відбуваються або за рахунок руху електронів, або при їхній особистій участі. Основними завданнями електронного приладу як перетворювача інформаційних сигналів є: посилення, генерування, передача, накопичення і зберігання сигналів, а також виділення їх на тлі шумів.

Електронні прилади можна класифікувати за їх призначенням, фізичним властивостям, основним електричним параметрам, конструктівнотехнологіческім ознаками, родом робочого середовища і т.д.

Залежно від виду сигналів і способу обробки інформації всі існуючі електронні прилади поділяють на електропреобразовательниє, електросветовие, фотоелектричні, термоелектричні, акустоелектричні і механоелектричного.

Електропреобразовательниє прилади представляють найбільшу групу електронних приладів. До них відносять різні типи діодів і транзисторів, тиристори, газорозрядні, електровакуумні прилади.

До електросветовие відносять світлодіоди, люмінесцентні конденсатори, лазери, електронно-променеві трубки.

До фотоелектричним - фотодіоди, фототранзистори, фототиристори, сонячні батареї.

До термоелектричним - напівпровідникові діоди, транзистори, термістори.

Акустоелектричні підсилювачі, генератори, фільтри, лінії затримки на поверхневих акустичних хвилях відносяться до акустичних приладів.

Останнім часом на стику електроніки і оптики сформувалася нова область техніки - оптоелектроніка, яка приваблює для вирішення завдань формування, зберігання і обробки сигналів методи електроніки і оптики. В даному посібнику розглядаються найпростіші оптоелектронні прилади, їх пристрій і застосування. Успішно розробляються також прилади для відображення інформації.

По виду робочого середовища розрізняють наступні класи приладів: напівпровідникові, електровакуумні, газорозрядні, Хемотронниє (робоче середовище - рідина).

Залежно від виконуваних функцій і призначення електронні прилади ділять на випрямні, підсилювальні, генераторні, переключательние, індикаторні й ін.

За діапазону частот - низькочастотні, високочастотні, надвисокочастотні; по потужності - малої потужності, середньої потужності і потужні.

1.2. Режими і параметри електронних приладів

Поняття режиму електронного приладу включає в себе сукупність умов, що визначають його роботу. Будь-режим визначається сукупністю параметрів. Розрізняють електричний, механічний, кліматичний режими. Кожен із зазначених режимів характеризується своїми параметрами.

Оптимальні умови роботи приладу при експлуатації, випробуваннях або вимірах його параметрів визначаються номінальним режимом. Граничні параметри характеризують гранично допустимі режими роботи. До них відносяться максимально допустимі значення напруг на електродах приладу, максимально допустима потужність, що розсіюється приладом, і т.д.

Розрізняють статичний і динамічний режими. Якщо прилад працює при постійних значеннях напруг на електродах, такий режим називається статичним. В цьому випадку всі параметри не змінюються в часі. Режим роботи приладу, при якому напруга хоча б на одному з електродів змінюється в часі, називається динамічним.

Крім параметрів режиму, розрізняють параметри електронного приладу (наприклад, коефіцієнт посилення, внутрішній опір, міжелектродні ємності та ін.). Зв'язок між змінами струмів і напруг на електродах в статичному режимі описується статичними характеристиками. Сукупність статичних характеристик при фіксованих значеннях третього параметра називають сімейством характеристик.

Історія створення електронних приладів базується на відкриттях і дослідженнях фізичних явищ, пов'язаних із взаємодією вільних електронів з електромагнітними полями і речовиною.

Роботи як вітчизняних, так і зарубіжних вчених протягом XIX в. створили фундамент електроніки. На його основі в 1873 р український інженер А.Н. Лодигін винайшов перший електровакуумний прилад - лампу розжарювання. У 1904 р англійський учений Д. Флемінг сконструював електровакуумний діод. У 1907 р з'явилася перша підсилювальна електронна лампа - тріод, яку виготовив Лі де Форест (США). Великий вплив на розвиток електроніки надали роботи А.Г. Столєтова, А.С. Попова, К.Ф. Брауна, Д. Томсона, О. У. Річардсона, А. Ейнштейна та ін. Виконані в XIX-XX ст.

У 1907 р український вчений Б.Л. Розінг запропонував використовувати електрон-но-променеву трубку для відтворення зображень. Важливий внесок у розвиток вітчизняної електроніки внесли українські вчені В.І. Коваленков, А.Д. Папалексі, М.А. Бонч-Бруєвич, О.В. Лосєв та ін.

Істотний вплив на розвиток електронних приладів надали роботи школи академіка А.Ф. Іоффе в 30-40 рр. XX ст. В подальшому на їх основі були винайдені багато приладів.

У 1948р. американськими вченими Д. Бардін, У. Браттейном і У. Шоклі був розроблений біполярний транзистор. У 50-і рр. були винайдені польові транзистори, сонячні батареї, оптрони, тунельні діоди, тиристори та ін.

Поява в 1960 р перше інтегральних схем поклало початок розвитку мікроелектроніки.

Освоєння діапазону надвисоких частот (НВЧ) привело до створення ряду нових як електровакуумних, так і напівпровідникових приладів. Серед них клістрони, магнетрони, лампи біжучої хвилі (ЛБХ), лампи зворотної хвилі (ЛОВ), лавинно-пролітні діоди, діоди Ганна і ін.

2. Напівпровідникові ПРИЛАДИ

2.1. Фізичні явища в напівпровідниках

За своїми електричними властивостями напівпровідники займають проміжне положення між провідниками і діелектриками.

Основні властивості напівпровідників, різко відрізняють їх від провідників, такі:

- характер і ступінь залежності електропровідності від температури;

- сильний вплив малих кількостей домішок на електропровідність напівпровідників;

- чутливість електропровідності до різного роду випромінювань. Значення питомої провідності провідників, напівпровідників і ди-

електриків наведені в табл. 2.1.

германію в земній корі становить 7 · 10 -4%. Кремній як напівпровідник почав впроваджуватися в техніку приблизно в той же час, що і германій, однак внаслідок великої складності очищення і отримання монокристалів кремнію цілий ряд напівпровідникових приладів був розроблений спочатку з германію і тільки згодом прилади на кремнієвих напівпровідниках отримують все більш широке поширення. До того ж кремній є одним з найбільш поширених елементів. Земна кора містить приблизно 28% кремнію.

Застосовувані в електроніці напівпровідники мають монокристалічного грати. Кожен атом кристалічної решітки за рахунок ковалентних зв'язків міцно утримується в вузлах кристалічної решітки. В ідеальній решітці всі електрони пов'язані зі своїми атомами, тому така структура не

проводить електричний струм. Однак невеликі енергетичні впливи можуть привести до відриву деяких електронів від своїх атомів, роблячи їх здатними переміщатися по кристалічній решітці. Такі електрони називаються електронами провідності. Енергетичні стани електронів провідності утворюють зону значень (рівнів) енергії, яка називається зоною провідності. Енергетичні стани валентних електронів утворюють валентну зону. Між максимальним рівнем енергії валентної зони W в і міні

ною рівнем зони провідності W c лежить заборонена зона. Ширина забороненої зони Δ W = W c - W в визначає мінімальну енергію, необхід

мую для звільнення валентного електрона, тобто енергію іонізації атома напівпровідника. Ширина забороненої зони для більшості напівпровідників складає 0,1 - 3 еВ. Зокрема, для германію Δ W = 0,72 еВ, для кремнію Δ W = 1,12 еВ, для арсеніду галію Δ W = 1,42 еВ.

Енергетичні діаграми власного напівпровідника і домішкових напівпровідників n- і p-типу представлені на рис. 2.1 а, б, в відповідно.