Основные понятия прикладной электроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные понятия прикладной электроники

1. Опишите перспективы развития электроники

электроника полупроводниковый транзистор диод

Электроника находится в стадии интенсивного развития; для неё характерно появление новых областей и создание новых направлений в уже существующих областях. Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, связана с требованием увеличения количества обрабатываемой информации вычислительными и управляющими электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема решается путём создания полупроводниковых интегральных схем; увеличения степени интеграции на одном кристалле до нескольких миллионов транзисторов; использования в интегральных схемах устройств оптической связи и оптоэлектронных преобразователей, сверхпроводников; разработки запоминающих устройств ёмкостью несколько мегабит на одном кристалле; применения лазерной и электроннолучевой коммутации; расширения функциональных возможностей интегральных схем (например, переход от микропроцессора к микро ЭВМ на одном кристалле); перехода от двумерной (планарной) технологии интегральных схем к трёхмерной (объёмной) и использования сочетания различных свойств твёрдого тела в одном устройстве; разработки и реализации принципов и средств стереоскопического телевидения, обладающего большей информативностью по сравнению с обычным; создания электронных приборов, работающих в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации, а также приборов для линий оптической связи; разработки мощных, с высоким КПД, приборов СВЧ и лазеров для энергетического воздействия на вещество и направленной передачи энергии (например, из космоса). Одна из тенденций развития электроники -- проникновение её методов и средств в биологию (для изучения клеток и структуры живого организма и воздействия на него) и медицину (для диагностики, терапии, хирургии). По мере развития электроники и совершенствования технологии производства электронных приборов расширяются области использования достижения электроники во всех сферах жизни и деятельности людей, возрастает роль электроники в ускорении научно-технического прогресса. В настоящее время производители микроэлектроники, достигли максимально возможные пределы интеграции, именно поэтому ведутся большие исследования в различных направлениях биоэлектроники, результаты которых показывают, что использование явлений живой природы может привести к новой научно-технической революции в этой области техники. К 2020 году прогнозируется начало выпуска биокомпьютеров, которые можно будет встраивать в живые организмы.

Определите скорость электрона в электрическом поле, если напряжение между двумя точками поля равно 120 В.

По закону сохранения энергии:

где e - заряд электрона =

Отношение

Выразим скорость:

Следовательно, скорость электрона зависит от разности потенциалов между конечной и начальной точками пути электрона.

Чем отличается движение электрона в тормозящем и поперечном электрическом поле?

Кинетическая энергия электронов, движущихся в тормозящем поле, уменьшается, так как работа совершается не силами поля, а самим электрона, который преодолевает сопротивление сил поля. Энергия, теряемая электроном, переходит к полю. Таким образом, в тормозящем поле электрон всегда отдает энергию полю. Пройдя разность потенциалов U₀, электрон потеряет всю свою энергию, скорость его станет равна нулю и он начнет ускоренно двигаться обратно. Таким образом, электрон совершает движение, подобное полету тела, брошенного вертикально вверх.

Если электрон вылетает с начальной скоростью v₀ под прямым углом к направлению силовых линий поля то поле действует на электрон с силой F, направленной в сторону более высокого потенциала. При отсутствии силы F электрон совершал бы равномерное прямолинейное движение по инерции со скоростью v₀ А под действием силы F электрон должен равноускоренно двигаться в направлении, перпендикулярном v₀ . Результирующее движение происходит по параболе, причем электрон отклоняется в сторону положительного электрода. Если электрон выйдет за пределы поля, как показано на рисунке, то дальше он будет двигаться по инерции прямолинейно и равномерно. Это подобно движению тела, брошенного с некоторой начальной скоростью в горизонтальном направлении. Под действием силы тяжести такое тело при отсутствии воздуха двигалось бы по параболической траектории.

Почему при подаче минуса на металл, а плюса на полупроводник у перехода Шоттки, электроны металла через границу раздела не пройдут? Чем это объясняется?

При подаче минуса на металл, а плюса на полупроводник возникает внешнее электрическое поле, сонаправленное с полем перехода Шоттки. Оба этих поля будут тормозящими для электронов полупроводника, и будут отбрасывать их от границы раздела. Оба этих поля будут ускоряющими для электронов металла, но они через границу раздела не пройдут, так как у металла больше работа выхода электрона. Такое включение перехода Шоттки называется обратным. Обратный ток через переход Шоттки будет полностью отсутствовать, так как в металле не существует неосновных носителей зарядов.

При каких условиях создаётся эффект Холла?

Эффект Холла, возникновение электродвижущей силы поперек проводника или полупроводника с током помещенного в магнитное поле, перпендикулярное проводнику. Электродвижущая сила возникает под углом в 90° к обоим направлениям: тока и магнитного поля. Под действием силы, действующей со стороны магнитного поля, электроны будут отклоняться на боковую грань полупроводника. Таким образом, на одной из граней полупроводника будут накапливаться электроны, в результате чего она зарядится отрицательно, а на противоположной грани возникает некомпенсированный положительный заряд. Если электрический ток переносится дырками, то поперечное электрическое поле будет противоположно направлению полю Холла для полупроводника n-типа электропроводности.

2. Технология изготовления и принципы функционирования полупроводниковых диодов

Почему вольтамперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехода?

В реальных диодах ВАХ отличаются от ВАХ идеального p-n-перехода, что объясняется тем, что, во-первых, для разных типов материалов полупроводникового кристалла обратный ток насыщения сильно зависит от температуры; во-вторых, при большом обратном напряжении, при котором измеряется ток насыщения, наблюдается термогенерация носителей непосредственно в области перехода; в-третьих, в реальных диодах наблюдаются поверхностные утечки тока (дополнительные проводимости); в-четвертых, при анализе процессов в p-n переходе не учитываются ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением, приводит к тому, что прямая ветвь диода идет ниже, чем у идеального p-n перехода.

Самостоятельно определите достоинства и недостатки СВЧ-диодов.

На сверхвысоких частотах широкое распространение получили маломощные точечные полупроводниковые диоды. Материалом для них служат германий, кремний или арсенид галлия с повышенным содержанием донорной или акцепторной примеси, благодаря чему база имеет низкое удельное сопротивление. За счет этого уменьшается время жизни носителей и быстро рассасывается заряд, накапливаемый в базе при прохождении прямого тока. Кроме того, малая площадь электронно-дырочного перехода обеспечивает небольшую емкость перехода. Именно эти особенности позволяют применять такие диоды на СВЧ. Однако при низком удельном сопротивлении базы электронно-дырочный переход получается очень тонким и его пробой возникает уже при обратном напряжении в единицы вольт. Во многих случаях это обстоятельство не является недостатком, поскольку диоды большей частью работают на малых сигналах. Однако диоды с низким пробивным напряжением могут легко выйти из строя при сравнительно небольших перенапряжениях, например от зарядов статического электричества. Полупроводниковые диоды СВЧ, как правило, имеют коаксиальную конструкцию для более удобного их соединения с коаксиальными линиями или волноводами. Коаксиальная конструкция выводов устраняет вредное влияние их емкости и индуктивности.

3. Чем отличаются светодиоды и фотодиоды. Обязательно вывод, а не только определение данных приборов.

При протекании тока через светодиод в прямом включении электроны преодолевают электронно-дырочный переход и рекомбинируют, переходя на более низкие энергетические уровни и испуская кванты света. Подходящие полупроводники имеют достаточно широкую запрещённую зону, чтобы длина излучаемой волны лежала в заданной области спектра. К наиболее важным характеристикам светодиодов относят спектральную и яркостную характеристики. Спектральная характеристика - зависимость вырабатываемой мощности светового потока от длины волны. А яркостная характеристика - это зависимость мощности светового потока от силы тока, протекающего по светодиоду в прямом включении. Светодиоды используют для индикации состояния аппаратуры, а мощные светодиоды применяют для освещения.

Фотодиодом называют фотогальванический приёмник с электронно-дырочным переходом, облучение которого светом вызывает увеличение силы обратного тока. Фотодиод устроен так же, как обычный плоскостной диод, а отличие состоит в прозрачном окне, которое организовано в корпусе фотодиода напротив областей электронного либо дырочного типов проводимостей в полупроводниковом кристалле. Таким образом, через это окно свет попадает внутрь фотодиода и облучает одну из областей электронно-дырочного перехода. Фотодиоды могут быть использованы в одном из двух включений: вентильном или фотодиодном. При фотодиодном включение последовательно с фотодиодом включается нагрузочный резистор и источник питания, подсоединённый плюсом к катоду фотодиода, а минусом к аноду. Пока облучение окна отсутствует, через фотодиод протекает маленький обратный ток, который называют темновым током, силой от единиц до нескольких десятков микроампер. Облучим кристалл слабым световым потоком, к спектру которого будет чувствителен фотодиод, отчего возникнет генерация электронов и дырок, и обратный ток станет больше. Ток, протекающий через нагрузочный резистор, возрастёт. Если световой поток станет ещё значительнее, то соответственно возрастёт и обратный ток фотодиода. Пропускаемый по нагрузочному резистору ток станет ещё существенней. Очевидно, что сила тока, протекающего по резистору, и падение постоянного напряжения на нём зависят от величины светового потока. В вентильном включении внешний источник питания не используют, а к выводам фотодиода подсоединяют нагрузочный резистор. Под действием светового потока возникает фотогенерация носителей заряда и фото-ЭДС, на выводах фотодиода появляется постоянное напряжение. Это напряжение подводят к нагрузочному резистору, через который течёт электрический ток. Фотодиоды обладают продолжительным сроком наработки на отказ, высокой чувствительностью к регистрируемому излучению, обладают малыми массой и габаритами.

Определите, какие диоды представлены на схемах?

Буквенный код диодов -- VD. Этим кодом обозначают не только отдельные диоды, но и целые группы. Так обозначают выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные дионы, диоды Гана. VD3 диод КЦ106Г относится к классу "Столбы выпрямительные", они предназначены для выпрямления напряжения свыше нескольких киловольт, представляют собой совокупность выпрямительных диодов, соединенных последовательно и собранных в единую конструкцию с двумя выводами. Эти приборы характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные диоды.

Почему в качестве характеристики светодиодов, используется спектральная характеристика?

В огромном большинстве случаев применения СИД должен быть спектрально согласован либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 300--1100 нм. Человеческий глаз обладает существенно более узким диапазоном чувствительности с практически полезной областью 400--700 нм. Для эффективной работы пары излучатель -- приемник необходимо тщательное согласование спектральных характеристик этих приборов.

3. Технология изготовления и принципы функционирования транзисторов. Тиристоры

Приведите классификацию полевых транзисторов и их условное обозначение.

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы:

- с управляющим затвором типа p-n перехода для использования в высокочастотных (до 12-18 ГГц) преобразовательных устройствах.

- с изолированным затвором для использования в устройствах, работающих с частотой до 1-2 ГГц. Их изготавливают или со встроенным каналом в виде МДП-структуры, или с индуцированным каналом в виде МОП-структуры

Поясните принципы функционирования динистора и тринистора.

Тиристоры -- электропреобразовательные полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами, обладающий способностью принудительного переключения из одного устойчивого состояния (отсечки) в другое (насыщения).

Тиристоры подразделяются на диодные (динисторы), имеющие два вывода (анод А и катод К), и триодные (тринисторы), имеющие три вывода (анод А, катод К и управляющий электрод У)

У динисторов основные носители зарядов переходят из анода в базу 1, а из катода в базу 2, где они становятся не основными и в базах происходит интенсивная рекомбинация зарядов, в результате которой количество свободных носителей зарядов уменьшается. Эти носители заряда подходят к коллекторному переходу, поле которых для них будет ускоряющим, затем проходят базу и переходят через открытый эмиттерный переход, т. к. в базах они опять становятся основными. Пройдя эмиттерные переходы, электроны переходят в анод, а дырки - в катод, где они вторично становятся не основными и вторично происходит интенсивная рекомбинация. В результате количество зарядов, прошедших через динистор, будет очень мало и прямой ток также будет очень мал. При увеличении напряжения прямой ток незначительно возрастает, т.к. увеличивается скорость движения носителей, а интенсивность рекомбинации уменьшается. При увеличении напряжения до определённой величины происходит электрический пробой коллекторного перехода. Сопротивление динистора резко уменьшается, ток через него сильно увеличивается и падение напряжения на нём значительно уменьшается. Считается, что динистор перешёл из выключенного состояния во включённое.

Тринистор (триодный тиристор) - имеет управляющий электрод. При подаче прямого тока (относительно катода на управляющем электроде при этом положительное напряжение) напряжение включения тиристора уменьшается. При управляющем токе, равном току спрямления, тиристор включается и остается во включенном состоянии и после снятия управляющего тока. Выключить триодный тиристор можно путем уменьшения анодного тока или снятия анодного напряжения. Существуют закрываемые тринисторы. В отличие от обычного тринистора, который выключается по анодной цепи уменьшением анодного тока до величины, меньшей, чем ток выключения, закрываемые тиристоры выключаются отрицательным током, подаваемым в управляющий электрод. Тринисторы можно включать при напряжениях, меньших напряжения включения динистора.

Объясните, какую роль в работе тиристора играет ток управления.

Самый простой способ управления тиристорами - это подача на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения. Управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое, значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока. Для этого достаточно на одну из баз подать дополнительное напряжение таким образом, чтобы создаваемое им поле совпадало по направлению с полем анода на коллекторном переходе. Можно подать ток управления на вторую базу, но для этого на управляющий электрод необходимо подавать напряжение отрицательной полярности относительно анода, и поэтому различают тринисторы с управлением по катоду и с управлением по аноду.

Чем отличается принцип действия транзисторов с индуцированным и со встроенным каналом?

В транзисторах со встроенным каналом под действием электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов, т.е. будет существовать ток стока. При подаче на затвор положительного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут притягиваться в канал. Канал обогатится носителями заряда, и ток стока увеличится. При подаче на затвор отрицательного напряжения, электроны из канала будут уходить в подложку, канал обеднится носителями зарядов, и ток стока уменьшится. При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку, и ток стока станет равным нулю. Транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения зарядов.

В транзисторах с индуцированным каналом при напряжениях на затворе, равных или меньше нуля, канал отсутствует, и ток стока будет равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, как не основные носители заряда подложки p-типа, будут притягиваться к затвору, а дырки будут уходить вглубь подложки. В результате в тонком слое под затвором концентрация электронов превысит концентрацию дырок, т. е. в этом слое полупроводник поменяет тип своей проводимости. Образуется (индуцируется) канал, и в цепи стока потечёт ток. Транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.

Размещено на Allbest.ru