Учебное пособие: Основи електроніки

Учебное пособие: Основи електроніки

Лекція 16. Тема 10

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ

10.1 Електронно-дірковий перехід

Хімічним елементом називається з'єднання атомів з однаковим зарядом ядра. У природі з усіх хімічних елементів тільки гази: гелій, неон та інші знаходяться в одноатомному стані. Всі інші елементи тяжіють з'єднатися один з одним у певному порядку, утворюючи молекули. З'єднання у певному порядку атомів і молекул називається речовиною. Тверда речовина має свою структуру і складається з атомів, що мають у своєму складі ядра й електрони, які знаходяться на визначених енергетичних рівнях (заповнена зона, заборонена зона, валентна зона, зона провідності).

У речовині, яку називають напівпровідником, валентна зона і зона провідності розділені забороненою зоною, у провіднику такий розподіл відсутній, а в діелектрику є, але ширина забороненої зони набагато більше, ніж у напівпровідника. Розрізняють власні напівпровідники та напівпровідники з домішкою. Власними напівпровідниками є хімічні елементи IV групи періодичної таблиці Менделєєва: кремній (Si), германій (Ge), що мають 4 валентних електрони, які можуть вступити в хімічний зв'язок з електронами інших атомів. При незначній температурі один або декілька з цих валентних електронів можуть переходити в зону провідності на відміну від діелектрика.

Властивість атомів одного хімічного елемента приєднувати певну кількість атомів інших хімічних елементів називається валентністю. З'єднання атомів хімічних елементів у молекулу називається хімічним зв'язком. Він може виникнути, наприклад, при утворенні електронних пар: двох електронів, які належать одночасно двом атомам (тобто обертаються навколо ядер двох атомів); такий хімічний зв'язок називається ковалентним зв'язком. Якщо ковалентний зв'язок утворюється в результаті переходу електронної пари від одного хімічного елемента – донора (постачальника електронів) до іншого хімічному елементу – акцептору (користувачу електронів), то такий хімічний зв'язок називається донорно-акцепторним зв'язком.

Напівпровідник з домішкою утворюється у такий спосіб. Якщо в хімічний елемент IV групи внести домішку (хімічний елемент V групи), то при кімнатній температурі атоми домішки віддають 5-й електрон, який не бере участі у створенні хімічного зв'язку. В результаті атоми домішки, які розташовані у вузлах кристалічних решіток, стають позитивними іонами, а в отриманій речовині з'являються вільні електрони. Такі речовини, у яких носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу (n – «negative» – негативний), а домішки, завдяки яким виникають вільні електрони, називають донорними.

Якщо в хімічний елемент IV групи внести як домішку хімічний елемент III групи, то при кімнатній температурі атоми домішки захоплюють електрони у деяких атомів хімічного елемента IV групи для утворення хімічного зв'язку. В результаті ці атоми, розташовані у вузлах кристалічних решіток, стають позитивними іонами, навколо яких знаходяться нейтральні атоми. Нейтральні атоми, які знаходяться біля іона, віддають свої електрони позитивному іону, роблячи його нейтральним; при цьому вони самі стають позитивними іонами. Отже, місце позитивного іона увесь час змінюється, начебто переміщується позитивний заряд, який дорівнює за модулем заряду електрона. Відсутність електрона в атомі напівпровідника називають діркою, яка має позитивний заряд, рівний за модулем заряду електрона. Такі речовини, у яких носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу (р – «positive» – позитивний), а домішки, завдяки яким виникають дірки, називають акцепторними.

Якщо з'єднати напівпровідник р-типу з напівпровідником n-типу, то утвориться напівпровідник р-n-типу (який має р-шар та n-шар) у місці їх з'єднання створиться електронно-дірковий перехід (р-n-перехід), у якому електрони n-шару заповнюють дірки р-шару. Тому в місці з'єднання утвориться шар речовини, що не має вільних зарядів (тобто з великим опором), який називають замикаючим шаром. Товщина замикаючого шару складає кілька мікрометрів, його розширенню перешкоджає електричне поле нерухомих іонів домішок. Отже, у нейтральному стані, коли потенціали на кінцях напівпровідника дорівнюють нулю, упорядкований і спрямований рух зарядів у ньому відсутній, тобто сила струму дорівнює нулю (рис.10.1).

Якщо від джерела електрорушійної сили до р-шару отриманого напівпровідника прикласти позитивний потенціал (+j), а до n-шару – негативний потенціал (–j), то електрони під дією прикладеної напруги з n-шару почнуть проникати в р-шар, заповнюючи дірки. Нестача електронів у n-шарі та дірок у р-шарі компенсується за рахунок джерела електрорушійної сили: електрони від джерела надходять у n-шар, а з р-шару електрони надходять до джерела, утворюючи в цьому шарі дірки. Цей упорядкований і спрямований рух вільних зарядів у напівпровіднику (прямій електричний струм) відбувається доти, поки до нього прикладена пряма напруга від джерела електрорушійної сили: «+» – до р-шару, а «–» – до n-шару (рис.10.2).

Якщо від джерела електрорушійної сили до р-шару отриманого напівпровідника прикласти негативний потенціал (–j), а до n-шару – позитивний потенціал (+j), то електрони під дією прикладеної напруги з n-шару почнуть надходити до джерела, з якого будуть проникати в р-шар, заповнюючи дірки (тобто відбудеться розширення замикаючого шару). Цей процес припиниться, коли товщина замикаючого шару стане пропорційною прикладеній напрузі джерела. У напівпровіднику буде відбуватися незначний упорядкований і спрямований рух зарядів (зворотний електричний струм) доти, поки до нього прикладена зворотна напруга від джерела електрорушійної сили: «–» – до р-шару, а «+» – до n-шару (рис.10.3).

Отже, речовини, електропровідність яких знаходиться між провідниками та діелектриками, називають напівпровідниками, характерними властивостями яких є:

–  напівпровідник при прямій напрузі проводить електричний струм в одному напряму (є провідником), а при зворотній напрузі практично не проводить електричний струм (є діелектриком);

–  при збільшенні температури питомий опір напівпровідників знижується (провідників, навпаки, зростає).

Запитання для самоконтролю

1.  Які речовини називають напівпровідниками?

2.  Якими властивостями володіють напівпровідники?

3.  Як утворюються напівпровідники?

4.  Що є носіями зарядів у напівпровідниках n-типу?

5.  Як утворюються напівпровідники n-типу?

6.  Що є носіями зарядів у напівпровідниках р-типу?

7.  Як утворюються напівпровідники р-типу?

8.  Як утворюються напівпровідники р-n-типу?

9.  Що розуміється під р-n-переходом?

10.  Що розуміється під замикаючим шаром?

11.  Що розуміється під прямим струмом і прямою напругою напівпровідника?

12.  Опишіть роботу напівпровідника р-n-типу при прямій напрузі.

13.  Що розуміється під зворотним струмом і зворотною напругою напівпровідника?

14.  Опишіть роботу напівпровідника р-n-типу при зворотній напрузі.

10.2 Напівпровідниковий діод

Напівпровідниковий діод являє собою електронний пристрій з одним електронно-дірковим переходом (р-n-переходом) і двома виводами.

В залежності від конструктивного виконання р-n-переходу розрізняють точкові діоди, які мають незначну потужність, та площинні діоди, які мають значну потужність. На принципових електричних схемах літерно-графічне позначення напівпровідникового діода наступне:

Залежність сили струму в діоді від прикладеної до нього напруги, вольт-амперна характеристика (ВАХ), показана на рис.10.4. Вона ж є узагальненою ВАХ р-n-переходу. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода має три характерних ділянки:

1 – робота при прямій напрузі (протікає прямий струм: р-n-перехід відкритий, і сила струму обмежена тільки опором матеріалу напівпровідника);

2 – робота при зворотній напрузі (протікає зворотний струм: р-n-перехід закритий, і струм незначної сили проходить за рахунок незначної кількості не основних носіїв вільних зарядів у матеріалі напівпровідника (електронів у р-шарі та дірок у n-шарі);

3 – робота при напрузі пробою (зворотний струм різко збільшується: відбувається різке, («лавиноподібне») збільшення не основних носіїв вільних зарядів у матеріалі напівпровідника (електронів у р-шарі та дірок у n-шарі) при збільшенні зворотної напруги).

Для оцінки та вибору напівпровідникових діодів указують наступні технічні параметри:

–  прямий струм: максимально припустимий (середній за період) струм, сила якого визначається нагріванням діода;

–  пряма напруга: пряма імпульсна максимальна напруга для припустимого імпульсу прямого струму;

–  потужність, що розсіюється діодом: максимальна потужність, яку здатний розсіювати діод;

–  зворотна напруга: зворотна імпульсна максимальна напруга, яка дорівнює 70 % від напруги пробою;

–  зворотний струм: сила струму, який протікає при зворотній напрузі.

Напівпровідникові діоди випускають кремнієві (на основі кремнію) і германієві (на основі германію): кремнієві діоди здатні працювати при температурі від 120°С до 150°С при прямій напрузі близько 1 В, германієві діоди здатні працювати при температурі від 55°С до 85°С при прямій напрузі близько 0,3 В. Для одержання більшої зворотної напруги діоди з'єднують послідовно, а для одержання більшого прямого струму діоди з'єднують паралельно.

Якщо номінальний режим роботи діода знаходиться на зворотній частині його вольт-амперної характеристики (рис.10.4, ділянка 2), то діод називають стабілітроном.

На принципових електричних схемах літерно-графічне позначення стабілітрона наступне:

Стабілітрон призначений для стабілізації напруги, тобто підтримки напруги на одному рівні. Стабілітрон включають паралельно навантаженню (рис.10.5). При збільшенні вхідної напруги зростає струм у колі R1 – VD, а напруга на навантаженні Uнав (яка дорівнює напрузі стабілізації) практично не змінюється за рахунок спадання надлишкової напруги на резисторі R1.

Запитання для самоконтролю

1.  Який електронний пристрій називається напівпровідниковим діодом?

2.  Як напівпровідниковий діод позначається на принциповій електричній схемі?

3.  Опишіть роботу напівпровідникового діода, використовуючи його вольт-амперну характеристику.

4.  Перелічіть технічні параметри напівпровідникового діода.

5.  Як вибрати напівпровідниковий діод?

6.  Який електронний пристрій називається стабілітроном?

7.  Як стабілітрон позначається на принциповій електричній схемі?

8.  Приведіть принципову електричну схему стабілізації напруги з розшифровкою літерних позначень.

9.  Опишіть роботу приведеної схеми стабілізації напруги.

10.3 Випрямлення перемінного струму

Випрямлення змінного струму в постійний струм необхідно для живлення постійних машин, електронних пристроїв та інших.

Розглянемо однопівперіодну схему випрямлення (рис.10.6). Вона складається з трансформатора, до вторинної обмотки якого послідовно підключаються діод і споживач електроенергії. Випрямлення струму за цією схемою здійснюється в такий спосіб: у першу половину періоду (у 1-й півперіод) електричний струм проходить через діод, у другу половину періоду (у 2-й півперіод) електричний струм фактично не проходить через діод, далі процес повторюється. Отже, протягом 1-го півперіоду напруга на навантаженні є, а протягом 2-го півперіоду вона відсутня. Струм, який протікає в колі навантаження, є пульсуючим, тобто змінюється його сила, але не змінюється його напрям (рис.10.7).

Недоліком показаної вище схеми випрямлення є значна пульсація випрямленого струму, що приводить до нестабільного постачання навантаження електроенергією.

Тому на практиці в основному використовують мостову двопівперіодну схему випрямлення змінного струму (рис.10.8). Вона складається з трансформатора, до вторинної обмотки якого підключаються діодний міст (з'єднання діодів) і споживач електроенергії. Випрямлення струму за цією схемою здійснюється в такий спосіб: у 1-у половину періоду (у 1-й півперіод) електричний струм проходить через діоди VD1 і VD2 (шлях струму показаний не заштрихованими стрілками), у 2-у половину періоду (у 2-й півперіод) електричний струм проходить через діоди VD3 і VD4 (шлях струму показаний заштрихованими стрілками), далі процес повторюється. Отже, напруга на навантаженні є і протягом 1-го півперіоду, і протягом 2-го півперіоду. Струм, який протікає в колі навантаження, пульсуючий, тобто змінюється його сила, але не змінюється його напрям (рис.10.9). Для зниження пульсації випрямленого струму використовують фільтри, що згладжують, на базі конденсаторів.

Аналогічно (з додаванням у схему випрямлення двох діодів) можна випрямляти трифазний змінний струм.

          Якщо вторинна обмотка трансформатора має вивід від середньої точки (у цьому випадку її називають нульовою точкою), то для випрямлення змінного струму використовують двопівперіодну з нульовою точкою схему випрямлення (рис.10.10), що дозволяє одержати таку ж випрямлену напругу в споживача електроенергії, як і у випадку застосування мостової схеми.

Запитання для самоконтролю

1.  Приведіть принципову електричну схему однопівперіодного випрямлення змінного синусоїдного струму з понижуючим трансформатором з розшифровкою літерних позначень.

2.  Опишіть роботу приведеної схеми однопівперіодного випрямлення.

3.  Зобразіть графічно випрямлений струм.

4.  Приведіть принципову електричну схему двохпівперіодного випрямлення змінного синусоїдного струму з понижуючим трансформатором з розшифровкою літерних позначень.

5.  Опишіть роботу приведеної схеми двохпівперіодного випрямлення.

6.  Зобразіть графічно випрямлений струм.

7.  Приведіть принципову електричну схему двохпівперіодного з нульовою точкою випрямлення змінного синусоїдного струму з понижуючим трансформатором з розшифровкою літерних позначень.

10.4 Тиристор

Тиристор – це напівпровідниковий керований пристрій, який має два р-шара і два n-шари, із трьома електронно-дірковими переходами (р-n-переходами) і трьома виводами. Вивід з р-шару називають анодом, вивід з n-шару називають катодом, третій вивід називають керуючим електродом, який може приєднуватися як до р-шару, так і до n-шару (рис.10.11а, 10.11б).

На принципових електричних схемах літерно-графічне позначення тиристора наступне:

Вольт-амперна характеристика тиристора має вигляд, показаний на рис.10.12. Якщо керуючий електрод не підключений до мережі, то один з р-n-переходів закритий і тиристор працює на 1-й ділянці ВАХ.

          Значне збільшення напруги приводить до того, що тиристор починає працювати на 2-й ділянці ВАХ. В результаті напруга на тиристорі падає, а струм через нього збільшується, що приводить до роботи тиристора на 3-й ділянці ВАХ. Тому відсутність прямої напруги на керуючому електроді приводить до того, що тиристор переходить у відкритий стан при значній напрузі.

          Якщо керуючий електрод підключений до мережі і на нього подана пряма напруга, то тиристор відразу починає працювати на 3-й ділянці ВАХ.

Отже, наявність прямої напруги на керуючому електроді приводить до того, що тиристор переходить у відкритий стан при незначній напрузі.

Тиристори можуть пропускати електричний струм силою до 1,0 – 2,0 кА при напрузі 0,1 – 4,0 кВ.

Найбільше просто тиристор можна застосувати як електричний ключ (рис.10.13). Тиристори використовується також для регулювання напруги на затисках трифазних асинхронних електродвигунів та інших цілей.

Запитання для самоконтролю

1.  Який електронний пристрій називається тиристором?

2.  Як тиристор позначається на принциповій електричній схемі?

3.  Опишіть роботу тиристора, використовуючи його вольт-амперну характеристику.

4.  Для чого призначений тиристор?

10.5 Транзистор, підсилення електричного сигналу

Транзистор винайдений у 1948 році американськими вченими Д. Бардіном, У. Браттейном і У. Шоклі, за що їм була присуджена Нобелівська премія.

Транзистор (біполярний транзистор) – це напівпровідниковий пристрій, який призначений для підсилення електричного сигналу (струму, напруги), та має два р-шари і один n-шар (рис.10.13а), або один р-шар і два n-шари (рис.10.13б), з 2-ма електронно-дірковими переходами (р-n-переходами) і 3-ма виводами. Шари, що знаходяться по краях транзистора, називають колектором і емітером, а середній шар називають базою.

На принципових електричних схемах літерно-графічне позначення транзистора наступне:

На кожний р-n-перехід транзистора може бути подана як пряма, так і зворотна напруги. Відповідно розрізняють чотири режими роботи транзистора: режим відсічення (режим закритого транзистора) – на обидва переходи подається зворотна напруга; режим насичення (режим відкритого транзистора) – на обидва переходи подається пряма напруга; активний режим – на емітерний перехід подається пряма напруга, на колекторний перехід подається зворотна напруга; інверсний режим – на емітерний перехід подається зворотна напруга, на колекторний перехід подається пряма напруга.

Розглянемо активний режим роботи транзистора. Між одним шаром (емітером – «випромінювачем» вільних зарядів) та іншим шаром (базою – «передавачем» вільних зарядів) подають пряму напругу, тобто на один р-n-перехід. Між іншим шаром (колектором – «одержувачем» електронів) і базою подають зворотну напругу, тобто на другий р-n-перехід. В результаті один р-n-перехід буде відкритий, а другий р-n-перехід – закритий. Отже, у колі «емітер – база» буде протікати прямий електричний струм, а в колі «база – колектор» – зворотний електричний струм:

Iе = Iк + Iб ,                                                  (10.1)

де      Iе       –        сила струму, який протікає в емітері, А;

          Iк       –        сила струму, який протікає в колекторі, А;

          Iб       –        сила струму, який протікає в базі, А.

Таким чином, транзистор можна розглядати як пристрій, що розподіляє електричний струм (який протікає через один електрод – емітер), між двома іншими електродами (базою і колектором) у визначеному співвідношенні. Ця властивість транзистора використовується для підсилення електричного сигналу. Відношення зміни сили струму, який протікає в колекторі (DIк), до зміни сили струму, який протікає в базі (DIб), при незмінній напрузі між емітером і колектором називають коефіцієнтом передачі базового струму:

.                                                    (10.2)

Для транзисторів різних типів b = 15 – 500, тобто сила електричного струму, який протікає в колекторі, набагато більше сили струму, який протікає в базі.

Отже, якщо струм у базі, буде вхідним сигналом, а струм у колекторі – вихідним сигналом, то транзистор буде працювати в режимі підсилення вхідного електричного сигналу. У цьому випадку загальною точкою вхідного і вихідного електричного кола є емітер, а схему називають «із загальним емітером» (рис.10.14). Схему «із загальною базою» використовують для підсилення напруги (рис.10.15).

Запитання для самоконтролю

1.  Який електронний пристрій називається біполярним транзистором?

2.  Як біполярний транзистор позначається на принциповій електричній схемі?

3.  Опишіть пристрій біполярного транзистора.

4.  Перелічіть режими роботи біполярного транзистора.

5.  Опишіть включення біполярного транзистора в режимі підсилення струму.

6.  Що розуміється під коефіцієнтом передачі базового струму?

7.  Опишіть включення біполярного транзистора в режимі підсилення напруги.

напівпровідник перемінний струм транзистор

Лабораторне заняття 16

«Основи електроніки»

1. Виконати завдання інформаційно-репродуктивного і практично-стереотипного характеру, користуючись таблицями.

Таблиця 10.1

У разі вірного виконання завдання åнепар – åпар = 9

Таблиця 10.1а

Таблиця 10.2

У разі вірного виконання завдання åнепар – åпар = –6

Таблиця 10.2а

Таблиця 10.3

У разі вірного виконання завдання åнепар – åпар = 10

Таблиця 10.3а

Експериментальне дослідження:

1.  Скласти принципову електричну схему кола, яке складається з лабораторного автотрансформатора, рубильника, включеного у первинне коло автотрансформатора для комутації, діодного моста, підключеного до його вторинних затисків, амперметра, включеного послідовно з додатковим резистором і навантажувальним резистором. Напругу з додаткового резистора необхідно подати на вхід осцилографа.

2.  Зібрати схему цієї експериментальної установки.

3.  Включити установку на змінну напругу (50 Гц) і здійснити візуальне спостереження миттєвого струму.