Электроника как фактор ускорения научно-технического прогресса. История развития электроники. Силовая и информационная электроника

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Электроника – научно-техническое направление охватывающее проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных приборов и устройств, способствующее разработке эффективных технологий и систем управления, получению материалов с уникальными свойствами, совершенствованию процесса сбора, обработки и хранения информации.

Электроника как область науки делится на 2 части:

Силовая электроника

(Преобразование электрической энергии в промышленности, на транспорте…)

Информационная электроника

(Преобразование информационных сигналов)

Электроника прочно вошла в самые различные сферы нашей деятельности; область применения различных электронных устройств просто огромна — от наручных электронных часов до телевизора и радиоприемника; от электронного зажигания в автомобилях до сложнейших автоматических технологических линий; от бытовых нагревательных приборов (микроволновые печи) до сверхмощных компьютеров. С помощью специальных электронных устройств можно придать электродвигателям любые желаемые характеристики, обеспечить наиболее благоприятное протекание переходных процессов, преобразовать электрическую энергию из одного вида в другой и решать целый ряд таких задач, которые другими способами вообще не решаются, либо решаются со значительно большими затратами.

История развития электроники восходит к концу XIX - началу XX века. Первоначально она развивалась для удовлетворения потребностей бурно развивающихся средств связи - для генерирования, усиления и преобразования электрических сигналов. Однако подлинный расцвет электроники начался после изобретения в 1948 году полупроводникового прибора — транзистора, технические характеристики которого значительно превосходили характеристики электронных ламп, применявшихся в электронных устройствах первого поколения. Так, транзисторы имеют значительно более высокие массогабаритные показатели, практически неограниченный срок службы, высокую механическую прочность, экономичность и ряд других достоинств.

Следующий этап повышения технического уровня элементной базы, а также завершенных изделий электронной аппаратуры обусловлен переходом на интегральные микросхемы, что определило дальнейшее развитие и совершенствование технологических способов и процессов, общих для всех полупроводниковых приборов. Интегральная технология оказала глубокое влияние на все этапы разработки, изготовления и эксплуатации электронной аппаратуры. Электроника стала основой электронно-вычислительных машин, проникла в автоматические системы и устройства.

В электронике больших мощностей революционным моментом стало появление мощных полупроводниковых приборов: тиристоров, силовых диодов и транзисторов. На их основе стали разрабатываться разнообразные преобразовательные устройства для электромеханических систем и электроэнергетики. Развитие электроники бурными темпами продолжается и в настоящее время, что является мощным стимулом для прогресса во многих областях науки и техники.

Связи атомов в молекулах

В атомных кристаллах соединение атомов в молекулы происходит по причине ковалентной (парно-электронной) связи двух валентных электронов принадлежащих двум различным атомам электроны, образующие ковалентные связи, отличаются друг от друга спинами (вращением вокруг своей оси) s=±1/2. Как только электроны образуют ковалентную связь, каждый из них принадлежит двум атомам одновременно. Ковалентная связь присуща в основном элементам средних групп таблицы Менделеева (C, Si, Ge, В, P, In, As, Se, Sn, Sb …).

Полупроводники

У полупроводников ширина запрещенной зоны ниже (не более 3Эв), поэтому часть ее электронов благодаря энергии теплового движения даже при комнатной температуре может преодолеть запрещенную зону и принять участие в электропроводности.

Проводники

В проводниках электроны в связи с малой шириной запрещенной зоны, сравнимой с длиной свободного пробега электрона, а иногда и отсутствием этой зоны, могут даже под действием слабых полей свободно переходить в зону проводимости, участвуя в направленном движении.

Примесная проводимость

В большинстве случаев приходится иметь дело с примесными полупроводниками, в кристаллической решетке которых имеются атомы посторонних элементов. В электронных полупроводниковых приборах используются именно примесные полупроводники.

Если в четырёх валентный полупроводник (Si) ввести пяти валентную примесь, например Сурьмы (Sb), то четыре валентных электрона примеси восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводников, а один электрон остается свободным. За счет этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь за счет которой концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок – донорная примесь. Полупроводники у которого – полупроводники с электронным типом проводимости, n-типа. В полупроводнике n-типа электроны – основные носители заряда, а дырки -неосновные.

При введении трёх валентной примеси (In), её валентные электроны восстанавливают ковалентные связи, а четвёртая ковалентная связь оказывается невосстановленной, т.е. имеется вакансия. В результате концентрация электронов меньше концентрации дырок Примесь, при которой концентрация дырок больше чем концентрация электронов – акцепторная примесь, а полупроводник – полупроводник p-типа с дырочным типом проводимости. В полупроводнике р-типа дырки – основные носители заряда, а электроны – неосновные. Реальное количество примесей в полупроводнике

Образование электронно-дырочного перехода

Необходимо соединить полупроводники двух типов. Ввиду неравномерной концентрации свободных носителей заряда на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток , стремящийся выровнять концентрацию носителей зарядов. За счет этого тока электроны из n области переходят в область p.

Свободные электроны, отрываясь от атомов донорной примеси нарушают нейтральность его общего заряда и оставляют на своем месте положительные ионы донорной примеси, в свою очередь электроны, приходящие в p область рекомбинируют с дырками акцепторной примеси. При этом возникают нескомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Процесс обмена зарядами происходит в слоях близлежащих границе контакта полупроводников, при этом в области n типа близко к границе контакта будет образовываться слой из положительно заряженных ионов имеющих объемный положительный заряд. Для области p типа аналогично.

Образовавшееся внутреннее электрическое поле объемных зарядов вызовет встречный дрейфовый ток. Обмен зарядами происходит до тех пор, пока диффузионный и дрейфовый токи не уравняются. В образовавшейся области объемных зарядов отсутствуют свободные носители зарядов, поэтому слой в близи границы контакта обладает высоким сопротивлением. В ООЗ возникает внутреннее электрическое поле - тормозящее для основных носителей заряда, зато для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они станут основными, эта область называется p-n переходом. Ширина p-n перехода десятые доли микрометра. Распределение потенциала по ширине полупроводника – потенциальная диаграмма. Разность потенциалов, возникающая в p-n переходе – контактная разность потенциалов или потенциальный барьер (ПБ)

Потенциальная диаграмма

Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления ПБ. Величина ПБ зависит от соотношения концентрации основных или неосновных носителей заряда и определяется:

k- постоянная Больцмана,

Т – абсолютная температура тела полупроводника,

е – заряд электрона

Вывод: величина U_k зависит от уровня легирования полупроводника примесями и увеличивается с ростом легирования.

Поверхностный пробой

Распределение напряженности электрического поля может существенно изменить заряды имеющиеся на поверхности полупроводника, поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшения p-n перехода, в результате чего на поверхности полупроводника пробой p-n перехода может наступить при напряженности поля меньше той, которая необходима для возникновения пробоя внутри полупроводника. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, которая граничит с поверхностью полупроводника. Для снятия вероятности поверхностного пробоя применяют специальные покрытия с высокими диэлектрическими свойствами.

По мощности

· маломощные

· средней мощности

· мощные (силовые) I_F> 10кА

По конструкции

· для малой и средней мощности

1. плоскостные диоды

2.точечные диоды

3. микросплавные

· для силовых диодов

1. штыревые

2.таблеточные

УГО

Электроника как область науки делится на 2 части:

Силовая электроника

(Преобразование электрической энергии в промышленности, на транспорте…)

Информационная электроника

(Преобразование информационных сигналов)

12 3 4 Следующая ⇒