290 890 произведений, 24 000 авторов.

» » Электроника в вопросах и ответах » Текст книги (страница 1)
Электроника в вопросах и ответах
  • Текст добавлен: 15 мая 2017, 15:00

Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"


Автор книги: И. Хабловски


Соавторы: В. Скулимовски



сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 29 страниц)

Хабловски И., Скулимовски В.
«Электроника в вопросах и ответах»

Предисловие к русскому изданию


В современной науке и технике исключительная роль принадлежит одной из быстро развивающихся областей – электронике. Она в значительной степени определяет совершенство технических средств вычислительной техники, радиоэлектроники, систем управления, передачи и обработки информации.

Особенностью современной электроники является быстрое внедрение новейших достижений в различные области народного хозяйства. Сегодня трудно найти область науки, техники, народного хозяйства, где бы изделия электроники не применялись. Появление интегральных микросхем, БИС и микропроцессоров позволяет значительно повысить надежность радиоэлектронных устройств и снизить их габаритные размеры и массу.

В процессе проектирования и создания различных радиотехнических устройств и систем приходится не только учитывать основные характеристики электронных приборов и их конструкцию, но и глубоко понимать физические основы работы, технологию изготовления, уметь сравнивать электронные приборы по их характеристикам и параметрам при выборе оптимальных схемотехнических решений.

Предлагаемая читателю книга представляет собой небольшую популярную энциклопедию, в которой в форме вопросов и ответов, а их более 500, приведены сведения о многих применяемых сегодня электронных приборах. Необходимо отметить, что понятие «электроника» в иностранной литературе значительно шире, поэтому некоторые вопросы можно отнести к радиотехнике, радиоэлектронике, вычислительной и измерительной технике.

Достоинством книги является и то, что, не приводя конкретных данных по схемным решениям, авторы книги показали эволюцию развития электроники – переход от ламповых схем к полупроводниковым приборам, а затем и к интегральным микросхемам. Они проделали большую работу по систематизации и отбору материала; в простоте изложения многих вопросов не теряется их научность.

Графический материал книги приведен в основном в соответствии с действующими в нашей стране стандартами. Некоторые дополнительные сведения, поясняющие изложение, даны в примечаниях и сносках. К сожалению, отдельные вопросы электроники, связанные с акустоэлектроникой, квантовой и СВЧ электроникой, не нашли отражения в этой книге.

Хочется надеяться, дорогой читатель, что в этой книге Вы найдете ответы на интересующие Вас вопросы.

Замечания и пожелания можно присылать по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь», редакция литературы по электронной технике.

Канд. техн. наук В. И. Котиков

Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. АТОМ И МАТЕРИЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ

Что такое электроника?

Это область науки и техники, занимающаяся использованием явлений, связанных с движением заряженных частиц в вакууме, газах и твердых телах. Электроника включает в себя изучение физических процессов, разработку конструкций и технологию изготовления электронных приборов (ламп, транзисторов, интегральных микросхем), а также устройств, в которых эти приборы применяют.

В каких областях науки, техники и народного хозяйства применяют электронные устройства?

Практически во всех. Достижения электроники используются для создания измерительных устройств, без которых не было бы возможно развитие химии, физики, биологии, медицины и даже таких областей науки, как социология, психология, археология. Возникновение и развитие космонавтики и исследование космического пространства стало возможным только благодаря электронике.

Все чаще электронные устройства используются в учебном процессе. При обучении иностранным языкам, например, широко применяют так называемые аудиовизуальные устройства. Во многих странах телевидение используется для преподавания телезрителям с разным уровнем подготовки, в том числе в развивающихся странах – на уровне начального образования.

Электронные устройства позволяют автоматизировать технологические процессы и контроль качества продукции на предприятиях текстильной, автомобильной и химической промышленности, в рудниках, на верфях. Электронные устройства способствуют увеличению производства различных изделий, повышению их качества, улучшению условий труда и техники безопасности. Без электронных устройств не могут функционировать современные транспорт, телеграф, телефон и радиосвязь, так же как без электронных вычислительных центров и устройств обработки данных – современные системы управления народным хозяйством.

Наконец, электроника – это устройства повседневного пользования: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны, электропроигрыватели, значение которых в жизни человека бесспорно. Современные системы кабельной и спутниковой связи, созданные уже в нескольких странах, обеспечивают произвольные двусторонние звуковые и визуально-звуковые соединении между любыми абонентами а также возможность выбора произвольной телевизионной или радиовещательной программы и даже реализацию индивидуальных программ с магнитофонных кассет и пленок.

Когда началось развитие электроники?

Электроника сравнительно молодая отрасль науки и техники. Теоретические основы ее были разработаны во второй половине XIX и в первой половине XX в. Первые лампы и полупроводниковые приборы были созданы в XX в. Самые важные исторические моменты в развитии электроники отмечаются следующими датами:

1865 г. – Дж. Максвелл разработал теорию электромагнитных волн;

1883 г. – Т. Эдисон открыл термоэлектронную эмиссию;

1886 г. – Г. Герц открыл электромагнитные волны, годом позже – фотоэмиссию;

1897 г. – Дж. Томсон открыл электрон;

1897 г. – К. Браун изобрел осциллографическую трубку;

1904 г. – Дж. Флеминг создал диод с накаливаемым катодом;

1906 г. – Л. де Форест изобрел триод;

1948 г. – У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин изобрели транзистор.

Какова структура атома?

Строение атома можно представить с помощью плоской модели (рис. 1.1), являющейся упрощением пространственной модели атома, разработанной Бором в 1913 г. В такой модели атом состоит из ядра и некоторого числа электронов, вращающихся вокруг ядра по определенным орбитам. Ядро имеет относительно большую массу и положительный заряд, электрон – малую массу и отрицательный заряд. Положительный заряд ядра и отрицательный заряд всех вращающихся вокруг этого ядра электронов находятся в равновесии, и изолированный атом в нормальном состоянии электрически нейтрален. Суммарный заряд электронов в атоме определяется атомным числом элемента. Орбиты, по которым вращаются электроны, называемые орбитами или оболочками, точно определены, и ни один электрон в атоме не может вращаться и пространстве между оболочками. Оболочки обозначают последовательно, начиная от ядра, буквами K, L, M, N, …. Оболочка К может содержать до двух электронов, L – до 8, M до 18 и т. д. На каждой следующей могут находиться электроны лишь в том случае, если предыдущие оболочки заполнены. Только последняя, внешняя, так называемая валентная оболочка, может быть не заполнена. Находящиеся на ней электроны называют валентными.


Рис 1.1. Плоская модель атома кремния

Валентная оболочка определяет химические свойства элемента. Ядро вместе с заполненными, оболочками образует постоянную часть атома, не подвергающуюся изменениям в химических процессах при изменениях температуры и протекании тока. С каждой оболочкой связана определенная энергия вращающихся на ней электронов. Чем дальше от ядра находится электрон, тем больше его энергия. Наибольшей энергией обладают валентные электроны.

Сообщая электронам энергию извне (температура, излучение), можно вызвать их переходы на оболочки с более высокими энергетическими уровнями. Атом с электронами, находящимися на более высоких энергетических уровнях, называется возбужденным атомом. Такое состояние является неустойчивым – электрон, возвращаясь на низший энергетический уровень, отдает приобретенную энергию в виде кванта энергии излучения. Определенная доза подводимой извне энергии может сделать электрон независимым от сил притяжения ядра. Атом, лишенный электрона, называется положительным ионом. Процесс возникновения ионов называется ионизацией. Существует обратное явление – соединение нона с электроном, называемое рекомбинацией.

Что такое диаграмма энергетических уровней атома?

Это диаграмма (рис. 1.2), представляющая энергетические свойства данного атома, называемая также зонной моделью атома. Для каждого слоя K, L, М… на этой диаграмме указывается численное значение энергии электронов, находящихся в этом слое (зоне).

Энергия выражается в электронвольтах [эВ]. Один электронвольт соответствует работе электрона при преодолении разности потенциалов, равной 1 В. Диаграмма энергетических уровней отражает законы квантовой механика, из которых следует, что каждый энергетический уровень может быть занят определенным числом электронов. Слой К содержит один энергетический уровень, слой L – два находящихся рядом уровня (s – внутренний, требует для заполнения двух электронов, р – внешний – шести электронов), М – три уровня (s, p, d) и т д. Представленная на рис 1.2 диаграмма относится только к одиночному изолированному атому. Если атом находится в близком соседстве с другими атомами, например в твердом теле, то диаграмма энергетических уровней изменяется.


Рис. 1.2. Зонная модель атома

Что такое твердое тело?

Это тело, в котором атомы или частицы образуют пространственную упорядоченную систему, называемую кристаллической решеткой, и удерживаются в этой системе благодаря силам взаимодействия. С точки зрения электропроводности твердые тела делятся на проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы).

Что такое диаграмма энергетических уровней в твердом теле?

Такая диаграмма, называемая также зонной моделью твердого тела, принципиально отличается от диаграммы, составленной для изолированного одиночного атома (рис. 1.2), что является следствием взаимодействия между собой атомов, образующих кристаллическую решетку.


Рис. 1.3. Расщепление энергетических уровней в твердом теле

В соответствии с законами квантовой механики, согласно которым число электронов, находящихся на одном и том же энергетическом уровне, не может быть больше двух, связь атомов в кристаллической решетке и их взаимодействие вызывают расщепление энергетических уровней и возникновение многих новых уровней, расположенных близко одни к другому в пределах данного слоя. При этом энергетические уровни образуют энергетические зоны. В электронике особенно важны две зоны: валентная, называемая также основной, которая образуется при расщеплении валентных уровней отдельных атомов, и зона с более высокими энергетическими уровнями, чем уровни валентной зоны, называемая зоной проводимости (рис. 1.3). Находящиеся в этой зоне электроны могут свободно перемещаться под влиянием электрического поля.

Что такое проводник?

Это твердое тело (металл), проводящее электрический ток по принципу движения свободных электронов. С ростом температуры проводимость металлов убывает, а при очень низких температурах (близких к 0 К) становится очень большой (сверхпроводимость).

По структуре кристаллической решетки и диаграмме энергетических уровней проводник является телом, в котором зоны проводимости и валентная перекрываются (рис. 1.4).


Рис. 1.4. Зонная модель проводника

Благодаря этому в кристаллической решетке существует высокая концентрация электронов, образующих так называемый электронный газ, который может свободно перемещаться в объеме металла под воздействием внешнего электрического поля.

Хорошими проводниками электрического тока являются медь, серебро, золото. Медь нашла широкое применение в виде проводников или соединений на печатных платах. Серебро, а особенно золото, из-за высокой стоимости используют значительно реже.

Основным параметром, определяющим проводник, является его электрическое сопротивление, выражающееся отношением падения напряжения на проводнике к протекающему по нему току. Хороший проводник оказывает малое сопротивление протеканию тока.

Электрическое сопротивление – параметр, зависящий от температуры.

Что такое диэлектрик?

Это тело, не проводящее электрический ток. Внутренняя структура диэлектрика (или изолятора) характеризуется полностью заполненной электронами валентной зоной и незаполненной зоной проводимости. Между зонами располагается широкая запрещенная зона (рис. 1.5), так что при нормальных условиях электроны не могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. Из-за отсутствия электронов в зоне проводимости диэлектрик не может проводить ток.


Pиc. 1.5. Зонная модель диэлектрика

Диэлектрики широко применяют в электронике. Они служат основным материалом в производстве конденсаторов (слюда, керамика, стекло, пленка, бумага и различные окислы, например, тантала). Диэлектрики используют в качестве изоляционного материала для покрытия проводов (изоляционная эмаль), изготовления каркасов катушек индуктивности (бакелит, керамика) и трансформаторов.

Свойства диэлектрика характеризуются диэлектрической проницаемостью, потерями, теплостойкостью, гигроскопичностью. Потери являются частотно-зависимым параметром.

Что такое полупроводник?

Это тело, свойства которого, если речь идет о протекании тока могут подвергаться изменению в зависимости от условий. Протекание тока в полупроводнике может происходить на основе движения отрицательных (электронов) и положительных зарядов. Проводимость полупроводников увеличивается с ростом температуры. При очень низких температурах полупроводники ведут себя, как диэлектрики.

Свойства полупроводника можно проиллюстрировать зонной моделью (рис. 1.6).


Рис. 1.6. Зонная модель полупроводника

В полупроводнике, как и в диэлектрике, между незаполненной зоной проводимости и полностью заполненной валентной зоной имеется запрещенная зона. Однако она относительно узка (меньше 2 эВ). При определенном, достаточно небольшом энергетическом возбуждении (тепловом или под влиянием электрического поля) некоторые электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости. При этом в валентной зоне появятся вакантные уровни. Атом, у которого электрон перешел в зону проводимости, превращается в положительный нон. Недостающий электрон у такого атома может быть восполнен соседним атомом, который в свою очередь становятся положительным ионом, при этом положительный ион как бы перемещается в объеме валентной зоны. Такой подвижный положительный ион называется дыркой. Электрический ток в полупроводнике связан с движением дырок в валентной зоне и электронов в зоне проводимости, причем дырочный и электронный токи равны, так как освобождение одного электрона вызывает одновременно возникновение одной дырки. Полупроводник с такими свойствами называется собственным.

На рис. 1.7 показаны плоские модели кристаллической решетки собственного полупроводника, в котором, как легко заметить, имеется определенная симметрия структуры: любой атом полупроводника имеет на внешней оболочке четыре собственных электрона и связан с четырьмя электронами четырех соседних атомов. Аналогичную структуру может иметь изолятор (например, алмаз) с той лишь разницей, что в полупроводнике, как уже подчеркивалось, некоторые электроны могут при комнатной температуре переходить из валентной зоны в зону проводимости.


Рис. 1.7. Плоские модели (а и б) кристаллической решетки собственно полупроводника

Что такое несобственный полупроводник?

Это полупроводник, у которого для изменения свойств, в основном электропроводности, нарушена структура кристаллической решетки. Небольшое протекание тока в собственном полупроводнике происходит на основе равенства токов, возникающих из-за подвижных электронов и такого же числа подвижных дырок. В несобственном полупроводнике эти токи не равны, поскольку не одинакова концентрация электронов и дырок. Существуют два типа несобственных (примесных) полупроводников: полупроводники типа n и типа р.

Что такое полупроводник типа n?

В полупроводнике типа n преобладает электронный ток. Нарушения кристаллической структуры (рис. 1.8, а) достигают введением в кристалл чистого полупроводника (кремния или германия), примесей донорного типа (например, мышьяка), т. е. элемента, имеющего на внешней оболочке на один валентный электрон больше, чем германий и кремний. При этом в кристаллической решетке остается один электрон, который может легко перейти в зону проводимости и участвовать в прохождении тока как донорный или неосновной носитель.

В кристаллической решетке сохраняется ион с положительным зарядом. Следует подчеркнуть, что этот положительный ион в полупроводнике типа n неподвижный, а следовательно, не участвует в протекании тока в отличие от дырок, возникающих при собственной проводимости. В зонной модели полупроводника типа n (рис. 1.8, б) введение донорной примеси вызывает возникновение дополнительного энергетического уровня между зоной проводимости и валентной зоной.


Рис. 1.8. Плоская (а) и зонная (б) модели кристаллической решетки полупроводника типа n

Разность энергий между дополнительным уровнем и зоной проводимости настолько мала (для кремниевого полупроводника она составляет около 0,05 эВ), что электрон может легко перейти с этого дополнительного уровня в зону проводимости. Положительный ион, образовавшийся при отрыве электрона от атома примеси, остается фиксированным. Очевидно, что в полупроводнике типа n имеются также дырки, возникшие в процессе образования пар электрон – дырка при собственной проводимости, однако их значительно меньше, чем электронов, возникающих в основном за счет введения примеси. Дырки, существующие в полупроводнике типа n, называются неосновными, а электроны – основными носителями.

Что такое полупроводник типа р?

В полупроводнике типа р в качестве примесей – акцепторов используются атомы элементов, имеющие на внешней оболочке на один электрон меньше, чем кремний и германий, например индий. В кристаллической решетке (рис. 1.9, а) вблизи такого атома в одном из узлов отсутствует одни электрон и возникает дырка, которая заполняется электроном соседнего атома. В результате атом становится неподвижным отрицательным ионом, а дырка может перемещаться далее. Таким образом, в полупроводнике типа р носителями являются подвижные дырки, в то время как отрицательные ионы не принимают участия в прохождении тока.

В зонной модели полупроводника типа р (рис. 1.9, б) введение акцепторной примеси вызывает появление дополнительного энергетического уровня вблизи валентной зоны. Отрицательные ионы остаются неподвижными в узлах решетки.


Рис. 1.9. Плоская (а) и зоновая (б) модели кристаллической решетки полупроводника типа р

Для полупроводника типа р характерна проводимость на основе движения дырок как основных носителей в валентной зоне. Очевидно, что в полупроводнике типа р имеются также электроны, возникшие в процессе образования пар электрон – дырка при собственной проводимости, однако их значительно меньше, чем дырок, образующихся за счет введения примесей. Существующие в полупроводнике типа р электроны называются неосновными, а дырки — основными носителями заряда.

Что такое термоэлектронная эмиссия?

Это эмиссия электронов из твердого (металл, полупроводник) либо жидкого тела (ртуть), вызванная нагревом его до высокой, температуры, которая сообщает электронам энергию, необходимую для того, чтобы они могли покинуть тело и перейти в окружающее пространство – вакуум или газ.

Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах для получения электронов, создающих электрический ток между электродами лампы.

Что такое фотоэмиссия и фотопроводимость?

Это так называемые фотоэлектрические эффекты: внешний (фотоэмиссия) и внутренний (фотопроводимость). Фотоэмиссия – эмиссия электронов из твердого тела (металла, полупроводника) под воздействием энергии излучения, например видимого света или инфракрасного излучения. Число эмиттированных электронов зависит от интенсивности излучения.

Фотопроводимость обусловливается увеличением электрической проводимости под влиянием лучистой энергии, вызывающей ионизацию атомов в данном теле, в результате чего возрастает число свободных электронов, возникающих в теле.

Фотоэмиссия и фотопроводимость используются в передающих электронно-лучевых трубках, находящихся в телевизионных камерах.

Исчерпываются ли возможности получения свободных электронов термоэмиссией и фотоэмиссией?

Нет. Свободные электроны можно получить и под влиянием сильного электрического поля (автоэлектронная эмиссия), и под влиянием энергии потока электронов твердого тела, это так называемая вторичная эмиссия.


    Ваша оценка произведения:

Популярные книги за неделю