Материал: 2072

УДК 621.38 (042.3.4) ББК 32.85 П 58

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Омского государственного университета путей сообщения В.Н. Зажирко,

гл. инж. Центрального конструкторского бюро автоматики (ЦКБА) А.И. Дворник

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве курса лекций для специальностей 180800 «Электрооборудование автомобилей и тракторов», 200400 «Промышленная электроника» и др.

Попов А. П., Степанов В. И.

Физические основы электроники: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2004.

– 167 с.

Рассмотрены физические процессы, определяющие принципы построения и работы полупроводниковых, электровакуумных, газоразрядных, оптоэлектронных и квантовых приборов. Приведены основные характеристики и параметры диодов, транзисторов, тиристоров и других приборов, составляющих элементную базу устройств информационной и силовой электроники.

В учебном пособии не рассматриваются схемотехнические вопросы, т.к. в соответствии с образовательным стандартом РФ вопросы схемотехники изучаются в специальных курсах.

Табл. 1. Ил. 128. Библиогр.: 13 назв.

2

ВВЕДЕНИЕ

Электронику в самом общем смысле можно назвать наукой о формировании потоков электронов и об управлении этими потоками в технических устройствах различного назначения. Несмотря на различие областей применения и многообразие режимов работы электронных устройств, все они строятся на общих принципах и состоят из ограниченного числа электронных приборов (ЭП). Для грамотной эксплуатации готовых электронных устройств и правильного применения ЭП в новых разработках, научных исследованиях инженеру необходимо знать их основные характеристики и параметры.

Доля информационно-управляющих устройств и преобразователей энергии, построенных на ЭП, непрерывно увеличивается во всех отраслях промышленности. Главной причиной этого являются достижения интегральной технологии, позволяющей выпускать в массовых количествах надежные, быстродействующие, малогабаритные и дешевые микроэлектронные, функциональные узлы различного назначения. Интегральная технология в настоящее время оказывает сильное влияние и на энергетическую (силовую) электронику, стимулируя разработку экономичных управляемых приборов большой единичной мощности.

Наглядным примером быстрого развития интегральной технологии служат персональные компьютеры (ПК). В течение последних пятнадцати лет сменилось уже пять поколений микропроцессоров, составляющих основу ПК, причем каждое новое поколение обеспечивает значительно большую вычислительную производительность, чем предыдущие.

В лекциях основное внимание уделено физическим процессам, определяющим характеристики и параметры широко используемых ЭП: диодов, транзисторов, тиристоров, электронных ламп, электронно-лучевых трубок, фотоэлектронных квантовых приборов.

Общим свойством всех ЭП является существенная нелинейность их вольт-амперных характеристик, поэтому при определении основных параметров ЭП использованы простые и наглядные графоаналитические методы теории нелинейных электрических цепей. Изучение физических основ электроники дает возможность понять особенности схемотехники устройств информационной и силовой электроники, рассматриваемых в специальных курсах.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Протекание электрического тока является единой физической основой функционирования всех ЭП, однако закономерности этого процесса в значительной степени зависят от характера среды, в которой проходит элек-

3

трический ток. Поэтому ЭП по принципу действия делят на полупроводниковые (ПП), электровакуумные (ЭВ) и газоразрядные (ГР).

Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на протекании электрического тока в твердых кристаллических полупроводниках. В настоящее время эта группа ЭП наиболее обширна и включает диоды, транзисторы, оптоэлектронные и другие приборы.

Электровакуумными называют приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока в вакууме. К ним относят электронные лампы, электронно-лучевые трубки, фотоэлектронные умножители, магнетроны и другие приборы.

Газоразрядными называют приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока через плазму (ионизированный газ). Плазма возникает при ионизации газов и паров ртути, поэтому ГР приборы часто называют ионными. К этой группе относят газотроны, игнитроны, тиратроны и другие.

Исторически первыми были изучены и использованы электрические и магнитные явления, возникающие при прохождении электрического тока в металлических проводниках. Промышленный выпуск основных пассивных элементов электротехники и электроники около ста лет назад положил начало развитию электронной промышленности.

С изобретением трехэлектродной электронной лампы – первого ЭП, способного усиливать мощность электрических сигналов, – в начале ХХ века появилась реальная возможность передавать разнообразную информацию на большие расстояния, управлять потоками электрической энергии, что стимулировало бурное развитие технологии производства ЭП. К началу 50-х годов основные технические характеристики ЭВ и ГР приборов уже приближались к их теоретическим пределам. Новый импульс развитию электронной промышленности дало изобретение в 1949 г. транзистора. С этого времени ПП занимают основное место среди остальных ЭП.

2.ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ

ИМАГНИТНОМ ПОЛЯХ

Во всех электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборах используется взаимодействие движущихся электронов как с электрическими, так и с магнитными полями. Поэтому, прежде чем приступать к изучению самих ЭП (ЭВ, ГР, ПП), необходимо рассмотреть движение электрона в однородном и неоднородном электрических полях, а также в магнитном поле, в вакууме и кристаллическом теле. Это позволит понять процессы, происходящие в ЭП, и принципы их работы.

4