Электроника и микропроцессорная техника

Электро́ника — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования
электромагнитной энергии для приёма, передачи, обработки и хранения информации

История развития:
изобретения А. С. Поповым радио (7 мая 1895 года), и начало использования радиоприёмников
изобретение Ли де Форестом лампового триода,первого усилительного элемента,
использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов,
развитие твёрдотельной электроники,
использование проводниковых и полупроводниковых элементов (работы Иоффе, Шотки),
изобретение в 1947 году транзистора (Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн),
создание интегральной микросхемы и последующее развитие микроэлектроники, основной области современной электроники.

Полупроводники
Prezentacii.com

Полупроводники
Непроводники
(диэлектрики)
Проводники
Прежде всего поясним само понятие – полупроводник.
По способности проводить электрические заряды вещества условно делятся на проводники и непроводники электричества.
Тела и вещества, в которых можно создавать
электрический ток, называют проводниками.
Тела и вещества, в которых нельзя создавать
электрический ток , называют
непроводниками тока.
Металлы , уголь, кислоты,
растворы солей, щелочи,
живые организмы
и многие другие тела и вещества.
Воздух, стекло, парафин, слюда,
лаки, фарфор, резина, пластмассы,
различные смолы,
маслянистые жидкости,
сухое дерево, сухая ткань,
бумага и другие вещества.
Проводники
Непроводники
(диэлектрики)
Полупроводники по электропроводности занимают
промежуточное место между проводниками и непроводниками.

Бор B, углерод C, кремний Si фосфор Р, сера S, германий Ge, мышьяк As, селен Se, олово Sn, сурьма Sb, теллур Te и йод I.
Полупроводники - это ряд элементов таблицы Менделеева, большинство минералов, различные окислы, сульфиды,
теллуриды и другие химические соединения.
Полупроводники

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра по стабильным орбитам.
Электронная оболочка атома германия состоит из 32 электронов, четыре из которых вращаются по его внешней орбите.
Ge
Электронная оболочка атома
Ядро атома
Сколько электронов у атома германия?
Четыре внешних электрона, называемые валентными, существенным образом определяют атома германия. Атом германия стремится приобрести устойчивую структуру, присущую атомам инертных газов и отличающуюся тем, что на внешней их орбите находится всегда строго определенное число электронов (например, 2, 8, 18 и т. д.).Таким образом, для приобретения подобной структуры атому германия потребовалось бы принять на внешнюю орбиту еще четыре электрона.

Собственная
(электронно-дырочная) электрическая проводимость.

Т
ρ
ρ0
•
При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок.
ρмет = f(Т)
ρполуп = f(Т)
Повысим температуру полупроводника.
Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
При увеличении температуры полупроводника в единицу времени образуется большее количество электронно-дырочных пар.
?
Зависимость удельного сопротивления ρ металла от абсолютной температуры T
Собственная электрическая проводимость

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников и поэтому называется собственной электрической проводимостью.
Собственная (электронно-дырочная) электрическая проводимость.
Примесная (электронно-дырочная) электрическая проводимость.
Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью.
Примесная (электронная)
электрическая проводимость.
Примесная (дырочная)
электрическая проводимость.
Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.
Примесными центрами могут быть:
атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;
избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;
различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).
Дальнейшее содержание слайда
в полной версии презентации.

Электронная проводимость (Донорная примесь)

Дырочная проводимость (Акцепторная примесь)

Электронно-дырочный переход

Полупроводник с избыточными электронами проводимости называют полупроводником n-типа, с избыточными дырками полупроводником р-типа.

Электрическая проводимость р-типа определяется дырками, поэтому их называют здесь основными носителями заряда, а электроны проводимости - не основными. В полупроводнике n-типа - наоборот.

Дальнейшее содержание слайда
в полной версии презентации.

p-n переход

Дальнейшее содержание слайда
в полной версии презентации.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.
Изображают полупроводниковые диоды на электрических схемах в виде треугольника и отрезка, проведенного через одну из его вершин параллельно противолежащей стороне. В зависимости от назначения диода его обозначение может содержать дополнительные символы. В любом случае острая вершина треугольника указывает на направление протекания прямого тока через диод. Треугольник соответствует р-области и называется иногда анодом, или эмиттером, а прямолинейный отрезок — n-области и называется катодом, или базой.
База Б
Эмиттер Э

Строение полупроводникового диода

По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными или точечными.
Как правило, диоды изготавливают из кристалла германия или кремния, с проводимостью n-типа. В одну из поверхностей кристалла вплавляют каплю индия. Вследствие диффузии атомов индия в глубь второго кристалла, в нём образуется область p-типа. Остальная часть кристалла по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между ними и возникает p-n - переход. Для предотвращения воздействия влаги и света, а также для прочности кристалл заключают в корпус, снабжая контактами. Германиевые и кремниевые диоды могут работать в разных интервалах температур и с токами различной силы и напряжения.

Вольт - амперная характеристика полупроводникового диода

Прямой ток
Обратный ток
Пробой
U, В
I, мA
Объясняется это тем, что электроны приобретают большую скорость и, ударяясь об атомы, выбивают их них электроны. Если напряжение не увеличивать, диод останется исправным. Если же продолжать увеличивать напряжение, то электрический пробой переходит в тепловой пробой. Это значит, что диод нагревается, и ток резко увеличивается за счет выхода электронов из своих атомов при повышении температуры. Тепловой пробой разрушает полупроводник, диод неисправен.
Обратный ток очень мал и почти не зависит от величины обратного напряжения, т. к. он образован дрейфовым током (не основными носителями зарядов). Но при определенном напряжении обратный ток резко возрастает. Это явление называется электрическим пробоем.

Виды пробоя
p-n перехода

Переменный ток

Переменный ток
Рассмотрим понятие «переменный ток» на самом простом уровне.
Переме́нный ток - электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению.
Чем быстрее вращается рамка, тем больше частота переменного тока.
В электроэнергетических системах России и большинства стран мира принята стандартная частота f = 50 Гц, в США 60 Гц . В технике связи применяются переменный ток высокой частоты (от 100 кГц до 30 ГГц). Для специальных целей в промышленности, медицине и др. отраслях науки и техники используют переменный ток самых различных частот.
I
I
t
t
T
Синусоидальный характер
Т – период переменного тока. Это наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются

Выпрямление переменного тока

+
-
~
Rн
+
-
I
I
t
t
T/2
Далее процесс повторяется…
Переменный ток
Дальнейшее содержание слайда
в полной версии презентации.