Северск 2015

Федеральное агентство по атомной энергии

Северский государственный технологический институт

Утверждаю
Заведующий кафедрой ЭиАФУ,
доцент	В. Я. Дурновцев
“		”		2015 г.

В.Б. Терехин, В.В. Васильев

Физические основы электроники

Пособие для студентов

Северск 2015

Рег. № СО4/45 от 24. 12. 04 г.

Утверждено НМС

«__» ______________2005г.

УДК 621.375

Терехин В.Б., Васильев В.В. Физические основы электроники: пособие для студентов. - Северск: Северский государственный технологический институт, 2005, -287 с.

В пособии изложены физические основы полупроводниковых приборов, рассмотрены принцип действия, характеристики и параметры полупроводниковых диодов, транзисторных усилителей, импульсных, логических и цифровых устройств, основанных на применении интегральных микросхем.

Детально рассматриваются вопросы построения цифровых комбинационных схем, применяемых в устройствах автоматики и производственном оборудовании промышленных предприятий.

Пособие предназначено для студентов специальности 200600 “Электроника и автоматика физических установок”, при изучении дисциплин “Прикладная электроника” и “Микроэлектроника”, а также для студентов специальности 180400 “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов” при изучении дисциплины “Физические основы электроники”. Пособие может быть использовано студентами указанных специальностей при выполнении курсовых и дипломных проектов студентами

Пособие одобрено на заседании кафедры ЭАФУ (протокол от 25 июня 2003 г.)

Рецензент

доцент, к. т. н. А.Ю. Чернышев

Редактор Г.Н. Ларкина

Подписано к печати Заказ №

Формат бумаги 60*84/16 Объем 16 п.л.

Тираж 50 экз.

Издательская лаборатория СГТИ,

636070 Томская обл., г. Северск, пр. Коммунистический, 65

Отпечатано в СГТИ.

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ. 6

ВВЕДЕНИЕ. 8

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ.. 10

1.1 Электропроводность полупроводников. Беспримесные и примесные полупроводники 10

1.1.1 Энергетическая диаграмма состояния атомов. 10

1.1.2 Носители заряда в беспримесных (чистых) полупроводниках. 13

1.1.3 Носители заряда в примесных полупроводниках. 18

1.1.4 Время жизни носителей заряда. 22

1.1.5 Дрейфовое и диффузионное движения носителей заряда. 24

1.2 Электрические процессы в р-п -переходе. 27

1.2.1 Электрические процессы в р-п -переходе при нулевом внешнем напряжении 27

1.2.2 Электрические процессы в р-п -переходе при наличии внешнего напряжения 31

1.3 Методы создания р-п -переходов. 38

1.4 Емкости р-п- перехода. 38

2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ.. 40

2.1 Диоды.. 40

2.1.1 Принцип действия и вольт-амперная характеристика диода. 40

2.1.2 Учет дополнительных факторов, влияющих на вольт-амперную характеристику диода. 40

2.1.3 Типы и основные параметры диодов. 43

2.2 Биполярные транзисторы.. 50

2.2.1 Принцип действия транзистора и его основные параметры.. 50

2.2.2 Статические вольт-амперные характеристики транзистора. 57

2.2.3 Параметры и эквивалентные схемы транзисторов. 65

2.2.4 Типы транзисторов. 71

2.3 Униполярные (полевые) транзисторы.. 72

2.3.1 Типы полевых транзисторов и принцип действия. 72

2.3.2 Принцип действия транзистора с р - n -переходом. 73

2.3.3 МДП (МОП)-транзисторы.. 78

2.4 Тиристоры.. 82

2.4.1 Типы тиристоров и принцип действия. 82

3. УСИЛИТЕЛИ.. 95

3.1 Общие сведения. 95

3.2 Усилительные каскады.. 97

3.2.1 Принцип построения усилительных каскадов. 97

3.2.2 Усилительный каскад ОЭ.. 99

3.2.3 Усилительный каскад с общим коллектором. 109

3.2.4 Усилительный каскад с общей базой. 112

3.2.5 Усилительный каскад с общим истоком на полевых транзисторах. 114

3.2.6 Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя. 120

3.2.7 Усилители постоянного тока. 126

3.2.8 Дифференциальные усилительные каскады.. 128

3.3 Операционные усилители. 135

3.3.1 Назначение операционных усилителей. 135

3.3.2 Условное графическое обозначение. 138

3.3.3 Основные понятия, термины, определения. 138

3.3.4 Маркировка микросхем операционных усилителей. 146

3.3.5 Классификация операционных усилителей. 146

3.3.6 Анализ схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей. 147

3.3.7 Выводы и рекомендации по проектированию схем с ОУ.. 150

4 Импульсная и цифровая техника.. 151

4.1 Передача информации в виде импульсов. 151

4.2 Ключевой режим работы биполярных транзисторов. 153

4.3 Импульсный режим работы операционных усилителей. Компараторы. Триггер Шмитта. 160

4.4 Позиционные системы счисления. 163

4.5 Функции алгебры логики и их основные свойства. 165

4.5.1 Основные определения. 165

4.6 Элементарные функции алгебры логики. 167

4.7 Аналитическая запись функций алгебры логики. 172

4.8 Аксиомы, основные теоремы и тождества алгебры логики. 177

4.9 Минимизация функций алгебры логики. 180

4.9.1 Основные определения. 180

4.9.2 Постановка задачи минимизации в классе ДНФ.. 182

4.9.3 Аналитическая минимизация. 182

4.9.4 Карты Карно. 182

5 Цифровые интегральные схемы.. 188

5.1 Логические элементы.. 188

5.1.3 Логический элемент И.. 190

5.1.4 Логический элемент ИЛИ-НЕ. 192

5.2 Классификация. 195

5.3 Основные характеристики и параметры микросхем. 200

5.3.1 Параметры и характеристики логических элементов. 200

5.4 Элементы с памятью (триггеры, счетчики) 206

5.4.1 Триггеры с RS -управлением. 208

5.4.4 Триггеры с D -управлением. 217

6 ВОПРОСЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА НЕВРЕМЕННЫХ СХЕМ.. 220

6.1 Логические сети. 220

6.2 Теорема анализа и эквивалентные схемы.. 223

6.3 Синтез логических схем с одним выходом. 226

6.4 Синтез логических схем со многими выходами. 230

6.5 Синтез схем по неполностью определенным собственным функциям. 231

6.6 Пример синтеза устройства - преобразователя кодов. 233

7 Синтез и АНАЛИЗ СХЕМ, РАБОТА КОТОРЫХ ЗАВИСИТ ОТ ВРЕМЕНИ 238

7.1 Временные булевы функции. Основные определения. 238

7.2 Основные свойства временных булевых функций. 240

7.3 Синтез и анализ схем с помощью временных булевых функций. 243

8 Схемотехника элементов интегрального исполнения.. 249

8.1 Схемотехника элементов серий ТТЛ.. 249