Электроника и основы микропроцессорной техники. Раимова А.Т

Электроника и основы микропроцессорной техники (Оренбург, 20

Электроника и основы микропроцессорной техники. Раимова А.Т

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Кафедра промышленной электроники и информационноизмерительной техники

А.Т. РАИМОВА, С.С. ЯКУПОВ

ЭЛЕКТРОНИКА И ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Ученым советом Оренбургского государственного университета в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования по специальности «Электроника и основы микропроцессорной техники»

Оренбург 2003

ББК 32.85 я7 Р-18

УДК 621.38+681.325.5(075.8)

Рецензенты кандидат технических наук, доцент П.Н. Ганский

кандидат технических наук, доцент А.В. Хлуденев

Раимова А.Т., Якупов С.С.

Р – 18 Электроника и основы микропроцессорной техники: Учебное пособие.- Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. – 145 с.

ISBN

Пособие предназначено для студентов очной и заочной формы обучения специальностей 180100, 180400, 100400, 220100, 220400,

изучающих одноименный курс, а также курсы «Электроника», «Основы микропроцессорной техники», «Схемотехника».

P 2402010000

ББК 32.85 я7

ISBN

Раимова А.Т., Якупов С.С., 2003ГОУ ОГУ, 2003

Введение

Одной из характернейших особенностей развития науки и техники является развитие электроники. Без электронных устройств ныне не может существовать ни одна отрасль промышленности, транспорта, связи.

Усиленное развитие и применение электроники влияет не только на экономическое развитие нашего общества, но и на социальные процессы, распределение рабочей силы, образование, электронные устройства все шире применяются в быту.

Что же такое электроника? Это отрасль науки и техники, занимающаяся изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, работа которых основана на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме и газе.

Такими приборами являются полупроводниковые приборы (протекание тока в твердом теле), электронные приборы (протекание тока в вакууме) и ионные (протекание тока в газе). Главное место среди них в настоящее время занимают полупроводниковые приборы.

Общим свойством всех названных приборов является то, что все они являются существенно нелинейными элементами, нелинейность их вольт-амперных характеристик, как правило является признаком, определяющим важнейшие их свойства.

Электронная техника непрерывно развивается, каждую задачу можно решить на основе различных схемных вариантов: можно построить схему на дискретных компонентах, можно выполнить ее на интегральных микросхемах, применить микропроцессорный комплект, провести обработку информации в цифровом или аналоговом виде.

Какое решение выбрать? В конечном счете, все решает экономический анализ, и принятие неверного решения может не помешать решению локальной технической задачи, но в итоге окажется убыточным для народного хозяйства.

Поэтому каждый инженер на своем месте должен воздействовать на техническую политику в своей области и выступать не только как специалист, но и как гражданин.

Органической частью электронных измерительных приборов, применяемых для измерения многочисленных и разнообразных параметров электрических сигналов, а также характеристик неэлектрических физических величин стали микропроцессорные системы.

Микропроцессор стал основной частью собственно прибора, что привело к изменению конструкции и схемных решений, компоновки, управления, включению обработки данных в измерительную процедуру (выполняемую без участия экспериментатора).

Внедрение микропроцессоров открыло возможность построения многофункциональных приборов с гибкими программами работы, сделало приборы более экономичными, облегчило решение задачи выхода на стандартную интерфейсную шину [канал общего пользования (КОП)] и управления интерфейсом. Все это упростило эксплуата-

цию приборов, резко повысило производительность труда их пользователей. Настоящее учебное пособие посвящено изложению основ

полупроводниковой электроники и микропроцессорной техники. Предполагается, что читатель знаком с теоретическими основами электротехники. Книга в основном, предназначена для студентов, изучающих одноименный курс.

Учебное пособие состоит из восьми глав.

Впервой, второй и третьей главах рассматриваются вопросы, связанные с полупроводниковыми приборами. Приводятся основные определения, классификация, схемы включения, режимы работы, статические и динамические характеристики приборов.

Четвертая глава содержит сведения об усилителях электрических сигналов. Здесь приводятся основные определения, показатели, характеристики, режимы работы усилителей. Кроме того, в данном разделе рассматриваются принцип работы усилителя и приводятся его разновидности.

Впятой главе представлены основные сведения об источниках вторичного питания. Рассматриваются схемы выпрямления, фильтрации и стабилизации электрических сигналов.

Шестая и седьмая главы содержат материал об основах микроэлектроники и микропроцессорной техники. Приводятся интегральные микросхемы. Рассматривается назначение основных узлов микропроцессорной техники. Изучается структура микропроцессора, его характеристики.

Ввосьмую главу включен блок контроля, который позволит студентам закрепить изученный материал и оценить уровень усвоения приведенного в учебном пособии материала.

1 Полупроводники и их свойства

К полупроводникам относят многие химические элементы. Такие, как кремний, германий, индий, фосфор, большинство оксидов, сульфидов, селенидов, некоторые сплавы, ряд минералов. Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие.

В полупроводниковой технике обычно используют только кристаллические полупроводники. Обычно к полупроводникам относят вещества, по удельной электрической проводимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происхождение их названия).

При комнатной температуре удельная

электрическая проводимость их составляет от 10-8 до 105 – См/м (для металлов – 106 – 108 См/м, для диэлектриков – 10-8 – 10-13 См/м) /1, 2/. Основной

особенностью полупроводников является возрастание удельной электрической проводимости с повышением температуры (для металлов она падает).

Электропроводность полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.

Свойства полупроводников хорошо поясняются с помощью зонной теории твердого тела.

Атомы всех веществ состоят из ядра и электронов, движущихся по замкнутой орбите вокруг ядра. Электроны в атоме группируются в оболочке. У основных полупроводников, используемых для создания полупроводниковых приборов – кремния и германия, кристаллическая решетка тетраэдрическая (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1

Каждый валентный электрон, т. е. электрон, находящийся на внешней, незаполненной оболочке атома, в кристалле принадлежит не только своему, но и ядру соседнего атома. Все атомы в кристаллической решетке расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и связаны ковалентными связями

(ковалентной называется связь между парой валентных электронов двух атомов, на рисунке 1.2 она показана двумя линиями). Эти связи являются прочными. Чтобы их разорвать, нужно извне приложить энергию.

Рисунок 1.2

Энергия электрона дискретна, или квантована, поэтому электрон может двигаться только по той орбите, которая соответствует его энергии. Возможные значения энергии электрона можно представить на диаграмме энергетическими уровнями (рисунок 1.3).

Чем более удалена орбита от ядра, тем больше энергия электрона и тем более высок его энергетический уровень. Энергетические уровни разделены зонами W, соответствующими запрещенной энергии для электронов (запрещенные зоны).

Так как в твердом теле соседние атомы находятся очень близко друг от друга, это вызывает смещение и расщепление энергетических уровней, в результате чего образуются энергетические зоны, называемые разрешенными (I, III, IV на рисунке 1.3). Ширина разрешенных зон обычно равна нескольким электрон-вольт.

В энергетической зоне число разрешенных уровней равно числу атомов в кристалле. Каждая разрешенная зона занимает определенную область энергии и характеризуется минимальным

имаксимальным уровнями энергии, которые называются соответственно дном

ипотолком зоны.

Рисунок 1.3

Разрешенные зоны, в которых электроны отсутствуют, называются свободными (I). Свободная зона, в которой при температуре 0 К электроны отсутствуют, а при более высокой температуре они могут в ней находиться,

называется зоной проводимости. Она находится выше валентной зоны (III) –

верхней из заполненных зон, в которых все энергетические уровни заняты электронами при температуре 0 К.

Взонной теории подразделение твердых тел на металлы, полупроводники

идиэлектрики основано на ширине запрещенной зоны между валентной зоной

изоной проводимости и степени заполнения разрешенных энергетических зон (рисунок 1.4). Ширина запрещенной зоны ∆Wa называется энергией

активации собственной электропроводности. Для металла ∆Wa = 0 (рисунок

1.4 а). Условно при ∆Wa 3 эВ – диэлектриком (рисунок 1.4 в). Так как у полупроводников значение ∆Wa сравнительно невелико, то достаточно сообщить электрону

энергию, сравнимую с энергией теплового движения, чтобы он перешел из валентной зоны в зону проводимости. Этим объясняется особенность полупроводников – увеличение электропроводности при повышении температуры.

Рисунок 1.4

Рассмотрим электропроводность полупроводников, которая может быть собственной и примесной.

1.1 Собственная электропроводность полупроводников

Для того чтобы вещество обладало электропроводностью, оно должно содержать свободные носители заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны. В полупроводниках – электроны и дырки.

Рассмотрим электропроводность собственных полупроводников, т.е. таких веществ, в которых не содержатся примеси и нет cтруктурных дефектов кристаллической решетки (пустых узлов, сдвигов решетки и др.). При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако с повышением температуры (или при другом энергетическом

воздействии, например, освещении) часть ковалентных связей может быть разорвана и валентные электроны, став свободными, могут уйти от своего атома (рисунок 1.5). Потеря электрона превращает атом в положительный ион. В связях на том месте, где раньше был электрон, появляется свободное («вакантное») место – дырка. Заряд дырки положительный и по абсолютному значению равен заряду электрона.

Свободное место – дырку – может заполнить валентный электрон соседнего атома, на месте которого в ковалентной связи образуется новая дырка, и т.д. Таким образом, одновременно с перемещением валентных электронов будут перемещаться и дырки.

Рисунок 1.5

Если электрическое поле отсутствует, электроны совершают хаотическое тепловое движение.

Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, начнут перемещаться (дрейфовать) под действием поля, что и создаст электрический ток.

При этом электроны перемещаются против направления электрического поля, а дырки, как положительные заряды, по направлению поля. Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью.

Электропроводность полупроводников может быть объяснена и с помощью зонной теории. В соответствии с ней все энергетические уровни валентной зоны при температуре 0 К заняты электронами. Если электронам сообщить извне энергию, превышающую энергию активации ∆Wa , то часть

валентных электронов перейдет в зону проводимости, где они станут свободными, или электронами проводимости. Вследствие ухода электронов из валентной зоны в ней образуются дырки, число которых, естественно равно числу ушедших электронов.

Дырки могут быть заняты электронами, энергия которых соответствует энергии уровней валентной зоны. Следовательно, в валентной зоне перемещение электронов вызывает перемещение в противоположном направлении дырок.

Хотя в валентной зоне перемещаются электроны, обычно удобнее рассматривать движение дырок.

Процесс образования пары «электрон – дырка» называется генерацией пары носителей заряда.

Образовавшиеся электронно-дырочные пары могут исчезнуть, если дырка заполняется электроном: электрон станет несвободным и потеряет возможность перемещения, а избыточный положительный заряд иона атома окажется нейтрализованным. При этом одновременно исчезают и дырка, и электрон.

Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией. Рекомбинацию в соответствии с зонной теорией можно рассматривать как переход электронов из зоны проводимости на свободные места в валентную зону.

Среднее время существования пары носителей заряда называется временем жизни носителей заряда. Среднее расстояние, которое проходит носитель заряда за время жизни, называется диффузионной длиной носителя заряда ( Lp – для дырок, Ln – для электронов).

Для собственного полупроводника концентрация электронов ni , равна концентрации дырок pi , (ni = pi ).

1.2 Примесная электропроводность полупроводников

Если в полупроводник внести примеси он будет обладать помимо собственной электропроводности еще и примесной. Примесная электропроводность может быть электронной или дырочной. Атом примеси связывается в кристаллической решетке полупроводника ковалентными связями.

В связи участвуют не все валентные электроны, т.е. появляются «лишние» электроны, которые менее сильно связанны с атомом примеси.

Для того, чтобы этот электрон оторвать от атома, нужно значительно меньше энергии, поэтому уже при комнатной температуре он может стать электроном проводимости, не оставляя при этом в ковалентной связи дырки.

Таким образом, в узле кристаллической решетки появляется положительно заряженный ион примеси, а в кристалле – свободный электрон. Примеси, атомы которых отдают свободные электроны, называются донорными (донорами).

Внесение в полупроводник донорной примеси существенно увеличивает концентрацию свободных электронов, а концентрация дырок остается такой же, какой она была в собственном полупроводнике.

В таком примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном электронами, поэтому такую проводимость называют электронной, а полупроводники – полупроводниками n-типа.

Электроны в полупроводниках n-типа являются основными носителями заряда (их концентрация высока), а дырки –

неосновными.

Если в полупроводнике ввод примеси сопровождается появлением незаполненной связи, то при незначительном повышении температуры в незаполненную валентную связь может перейти электрон соседнего атома

полупроводника, оставив на своем месте дырку, которая может быть также заполнена электроном и т.д. Таким образом, дырка как бы перемещается в полупроводнике. Примесный атом превращается в отрицательный ион. Примеси, атомы которых способны при возбуждении принять валентные электроны соседних атомов, создав в них дырку, называют акцепторными или

акцепторами.

Внесение в полупроводник акцепторной примеси существенно увеличивает концентрацию дырок, а концентрация электронов остается такой же, какой она была в собственном полупроводнике.

В этом примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном дырками, поэтому ее называют дырочной, а полупроводники – полупроводниками p- типа.

Дырки для полупроводника р-типа – основные носители заряда, а

электроны – неосновные.

Впримесных полупроводниках наряду с примесной электропроводностью существует и собственная, обусловленная наличием неосновных носителей.

Удельная электрическая проводимость примесного полупроводника определяется концентрацией основных носителей и тем выше, чем больше их концентрация.

1.3Закон распределения носителей заряда в зонах полупроводника

Всобственном полупроводнике при температуре 0 К все электроны находятся в валентной зоне. При повышении температуры часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Определить вероятность нахождения электрона (или дырки) на том или ином энергетическом уровне при заданной температуре можно с помощью распределения Ферми – Дирака:

Fn (W ) =1/ e

−(W −WF ) /(kT )

,

(1.1)

где W – энергия данного уровня, Дж;

k- постоянная Больцмана;

Т- абсолютная температура;

WF – энергия, соответствующая энергетическому уровню, вероятность заполнения которого при T≠ 0 К равна 1/2, и называемой уровнем Ферми.

При температуре 0 К Fn (W ) изменяется скачкообразно. Для всех энергетических уровней, лежащих ниже уровня Ферми (W

Источник: https://studfile.net/preview/5396973/

Biz-books
Добавить комментарий