Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Воронежский государственный технический университет
А.Л.Гиоргадзе Ю.В.Кириллов
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И СХЕМОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ
Учебное пособие
Воронеж 2003
УДК 621.382
Гиоргадзе А.Л., Кириллов Ю.В. Физические основы и схемо-
техника электронных устройств автоматики: Учеб. пособие. Воро-
неж: Изд-во ВГТУ, 2003, 366с.
В учебном пособии описываются физические процессы в полупроводниковых приборах, аналоговых и цифровых устройствах, электронных системах автоматики.
Материал учебного пособия охватывает широкий круг вопросов электронной техники и по содержанию может использоваться как при изучении соответствующих разделов курса «Физика», так и курсов «Автоматика», «Физические основы электроники», «Типовые элементы и устройства цифровой техники».
Пособие написано лаконично, но в полной мере иллюстрировано рисунками, схемами, графиками.
Издание предназначено для студентов всех специальностей, программа которых предусматривает изучение физики, основ электронной техники и автоматики.
Табл.9. Ил. 311. Библиогр.: 6 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.
Научный редактор: канд. техн. наук А.Г.Кошелев
Рецензенты: кафедра электроники Воронежского государственного университета; канд. техн. наук Д.А.Ефремов
Гиоргадзе А.Л., Кириллов Ю.В., 2003 Оформление.Издательство Воронежского государствен-
ного технического университета, 2003
ВВЕДЕНИЕ Электроника проникла во все отрасли современной науки,
техники, промышленности. Электронные приборы используются в автоматике, телемеханике, проводной связи, атомной и ракетной технике, астрономии, метеорологии, медицине, биологии, физике, химии, металлургии, машиностроении, различных областях измерительной техники, в бытовой аппаратуре.
Электронные устройства позволяют проводить разнообразные исследования и измерения, в частности такие, которые сами не имеют ничего общего с электроникой. Электронные усилители, генераторы, выпрямители, осциллографы, измерительные приборы и другие аналоговые, цифровые и импульсные устройства стали мощным средством для научных исследований, автоматизации и контроля производственных процессов. Методы электроники значительно улучшили изучение свойств многочисленных веществ, существующих в природе, позволили глубже познать строение материи, приблизили нас к более правильному пониманию физических закономерностей, окружающего нас мира.
Электроника представляет собой бурно развивающуюся область науки и техники. Она изучает принципы устройства, работы и применения различных полупроводниковых приборов. Развитие и использование физической электроники, технической электроники, промышленной электроники основывается на глубоком знании физических закономерностей, происходящих в элементах электронной техники. Многие направления современной электроники являются результатами выдающихся достижений физики твердого тела, квантовой физики. Особенно быстро развивается микроэлектроника.
Настоящее учебное пособие охватывает широкий круг вопросов электронной техники от рассмотрения физических основ электроники, до схемотехники и применения электронных устройств в системах автоматики.
По содержанию материал учебного пособия соответствует программам ряда технических специальностей и может использоваться при изучении соответствующих разделов курса «Физика», курсов «Физические основы электроники», «Типовые элементы и устройства цифровой техники», «Импульсная техника».
55
ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ
1.1. Движение электронов в однородном электрическом поле
Взаимодействие движущихся электронов с электрическим полем является основным процессом во всех электронных приборах. Будем полагать, что электроны движутся в вакууме, т.е. без столкновений с другими частицами. Такое движение совершается в электронных лампах. В газоразрядных и полупроводниковых приборах движение сложнее, так как происходит столкновение электронов с ионами и другими частицами газа или твердого вещества. Необходимо, прежде всего, рассмотреть движение электрона в однородном и постоянном во времени электрическом поле.
Законы движения одного электрона в однородном электрическом поле с известным приближением можно применить к движению его в электронном потоке, если пренебречь взаимным отталкиванием электронов.
Электрическое поле в большинстве случаев неоднородно и весьма сложно по своей структуре. Изучение движения электронов в неоднородных электрических полях представляет большие трудности и относится к области электроники, называемой электронной оптикой. Если неоднородность поля незначительна, то можно приближенно считать, что электроны движутся по законам, выведенным для однородного поля. Эти законы позволяют рассмотреть с качественной стороны движение электронов и в полях со значительной неоднородностью.
Напомним, что электрон является частицей материи с отрицательным электрическим зарядом, абсолютное значение которого е=1,6∙10-19 Кл. Масса неподвижного электрона m=9,1∙10-28г. С возрастанием скорости масса электрона увеличивается. Теоретически при скорости с=3∙108м/с она должна стать бесконечно большой. В обычных электровакуумных приборах скорость электронов не превышает 0,1с и можно считать массу электрона постоянной.
Движение электрона в ускоряющем поле. На рис. 1.1 изо-
бражено в виде силовых линий (линий напряженности) однородное электрическое поле между двумя электродами, например катодом и анодом диода.
56
Рис. 1.1
Если разность потенциалов между электродами U, а расстояние между ними d, то напряженность поля
E=U/d
Для однородного поля величина Е является постоянной. Пусть из электрода, имеющего более низкий потенциал, на-
пример из катода К, вылетает электрон с кинетической энергией W0 и начальной скоростью v0, направленной вдоль силовых линий поля. Поле ускоряет движение электрона. Иначе говоря, электрон притягивается к электроду с более высоким потенциалом. В данном случае поле называют ускоряющим.
Напряженность поля численно равна силе, действующей на положительный единичный заряд. Поэтому сила, действующая на электрон,
F=-eE
Знак «минус» поставлен потому, что сила F направлена в сторону, противоположную вектору Е. Иногда этот знак не ставят.
Под действием постоянной силы F электрон получает ускорение а=F/m. Двигаясь прямолинейно, электрон приобретает наибольшую скорость v и кинетическую энергию W в конце своего пути, т.е. при ударе об электрод, к которому он летит. Таким образом, в ускоряющем поле кинетическая энергия электрона увеличивается за счет работы поля по перемещению электрона. В соответствии с законом сохранения энергии увеличение кинетической энергии электрона W – W0 равно работе поля, которая определяется произведением перемещаемого заряда е на пройденную им разность по-
тенциалов U:
W-W0=mv2/2-mv02/2=eU
Если начальная скорость электрона равна нулю, то
W=mv2/2=eU
т.е. кинетическая энергия электрона равна работе поля.
57