Основы электроники

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ и ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Электроника — область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, а также свой­ства устройств и систем с их использованием.

Примерно до 50-х годов в устройствах электроники (усилителях, генераторах, выпрямителях и т.д) в качестве основного элемента при­меняли электронные лампы, возможности которых были весьма огра­ничены большим потреблением энергии, значительными габаритами и массой, небольшим сроком службы, что в свою очередь сказыва­лось на характеристиках и надежности самих устройств Это привело к разработке электронных приборов с другим принципом действия, которые по своим функциональным возможностям могли бы заме­нить электронные лампы. Ими стали экономичные и надежные полу­проводниковые приборы, имеющие малую массу, высокий КПД и очень большой срок службы.

В настоящее время устройства с использованием электронных по­лупроводниковых приборов нашли исключительно широкое приме­нение практически во всех областях науки и техники, электроэнергетике, медицине, быту Они используются для автоматического управ­ления различными объектами и технологическими процессами, в сис­темах получения, передачи, обработки, хранения и использования ин­формации, в бытовой радиоэлектронной аппаратуре и т.д.

Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками.

По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное электри­ческое сопротивление полупроводников при комнатной температуре лежит в пределах 1(Г³ —10¹⁰ Ом см В качестве полупроводниковых веществ используются кремний, германий (элементы IV группы перио­дической системы Менделеева), а также селен, арсенид галлия, фосфид галлия и др.

Электропроводность чистых однородных полупроводников при темпе­ратуре, отличной от абсолютного нуля, обусловлена попарным образованием (генерацией) свободных носителей заряда — электронов и дырок.

На основе использования полупроводниковых материалов с различ­ным типом электропроводности создают полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры и другие приборы. В частности, из полупро­водника, равномерно легированного примесями, изготавливают полу­проводниковые резисторы. В зависимости от типа примесей и конструк­ции получают линейные резисторы, сопротивление которых остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов, либо резисторы, сопротивление которых зависит от таких управляю­щих параметров, как напряжение (варисторы), температура (терморе­зисторы), освещенность (фоторезисторы), механические деформации (тензорезисторы), магнитное иоле (магниторезисторы) и др.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами.

В основе работы полупроводникового диода лежат электрические свойства p-n перехода, который создается технологически при изго­товлении диода.

Выпрямительные диоды. Это полупроводниковые диоды, предна­значенные для выпрямления переменного тока. Как правило, это плос­костные диоды средней и большой мощности. Для работы в мало­мощных цепях (высокочастотные и импульсные цепи электронных ус­тройств) используются точечные диоды.

Полупроводниковые стабилитроны. Стабилитроны, или опорные диоды предназначены для стабилизации напряжений.

Варикапы. Это полупроводниковые диоды, используемые в качестве емкостного элемента, управляемого электрическим напряжением. Емкость p-n перехода, включенного в обратном направлении, зависит от ширины перехода, а следовательно, от приложенного обратного напряжения.

ТРАНЗИСТОРЫ

Бипопярные транзистором называют полупроводниковый электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления электрической мощности.

Полевым транзистором называют полупроводниковый электропреобразовательный прибор, ток которого управляется электрическим полем и который предназначен для усиления электрической мощности.

ТИРИСТОРЫ

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более)/ p-n -переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для коммутаций в электрических цепях.

В настоящее время выпускаются тиристоры на токи до 3000 А и напряжения включения до 6000 В.

Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие выпря­мительными свойствами, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, инверторах, коммутационной аппаратуре.

Сравнительно недавно был создан новый и весьма перспективный управляемый переключающий прибор, получивший название биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — insulated gale bipolar transistor). Этот прибор сочетает в себе достоинства биполярных и полевых МДП-транзисторов и способен коммутировать значительные токи при высоком быстродействии, малой мощности управляющей цепи и высо­ких значениях обратных напряжений. Полупроводниковая структура прибора похожа на тиристорную (см.рис.2.21), но со свойствами управ­ляемого усилителя. Ток управления задается МДП-транзистором, кото­рый в свою очередь управляется напряжением. Вся полупроводниковая часть прибора выполнена в одном кристалле полупроводника. Прибор позволяет коммутировать токи до 400 А при напряжениях до 1600 В, а его быстродействие составляет десятые доли микросекунды.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Фотоэлектрическими приборами называют преобразователи энер­гии оптического излучения в электрическую энер1 ию.

К оптическим относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрас­ное излучения с длиной волны от десятков нанометров до десятых Долей миллиметра. Как известно, видимое излучение лежит в диапа­зоне длин волн 0, 38 — 0.76 мкм.

Работа полупроводниковых фотоэлектрических приборов основа­на на так называемом внутреннем фотоэффекте — ионизации квантами света атомов кристаллической решетки.

Фоторезисторы. Фоторезистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, электрической проводимостью которого можно управлять с помощью оптического излучения.

Фотодиоды. Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлек­трический прибор с двумя выводами, имеющий один p-n переход.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов — без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенерапюра) либо с внеш­ним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Фототранзисторы. Фототранзистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя p-n-переходами

Фототиристором называют полупроводниковый фо­тоэлектрический прибор с тремя чередующимися p-n-персходами, имею­щий участок вольт-амперной характеристики, соответствующий отрица­тельному дифференциальному сопротивлению и используемый в качестве управляемого ключа для переключения токов.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой сложное мик­роэлектронное изделие в миниатюрном корпусе с электрическими вы­водами, включающее в себя множество простейших элементов (тран­зисторов, диодов, резисторов, конденсаторов), электрически соеди­ненных между собой по заданной схеме, и реализующее определенную функцию преобразования электрических сигналов. Отдельные элемен­ты микросхемы не имеют внешних выводов и не могут рассматривать­ся как самостоятельные изделия, однако в состав микросхем могут включаться компоненты, имеющие самостоятельное конструктивное оформление — навесные бескорпусные транзисторы, другие микрос­хемы, дроссели и т.д.

Создание и непрерывное совершенствование технологии интеграль­ных микросхем связано с быстрым развитием информационной и вы­числительной техники и значительным в связи с этим усложнением элек­трических и электронных схем приборов и устройств. Применение ИМС как самостоятельных функциональных узлов кардинальным образом решает проблемы уменьшения габаритов, снижения потребляемой энергии, повышения надежности и быстродействия приборов и ус­тройств и в особенности электронных вычислительных машин.

Важными характеристиками интегральных микросхем в числе про­чих являются степень интеграции и тотность упаковки. Степень ин­теграции характеризует количество элементов в микросхеме. ИМС первой степени интеграции имеют до 10 элементов, второй — до 10-элементов и т.д. Под плотностью упаковки понимают количество эле­ментов и компонентов в I см³ объема микросхемы. В современных полупроводниковых ИМС степень интеграции достигает шести, а плот­ность упаковки принципиально может быть доведена до 10^ эл/см³ и выше, линейные размеры отдельных элементов могут быть менее I мкм. Площадь полупроводникового кристалла обычной микросхемы составляет в зависимос­ти от сложности 0, 3 — 6 мм² Площадь кристалла микросхем, применяе­мых в ЭВМ. может достигать 40 мм² и выше. Дальнейшее увеличение площади кристалла нецелесообразно в связи с возрастающей вероят­ностью наличия в кристаллической решетке дефектов, делающих не­пригодной всю микро-схему.

По технологии изготовления различают гибридные и полупроводнико­вые интегральные микросхемы. В гибридных микросхемах используется так называемая пленочная технологии, пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, дроссели) и проводники выполняют в них в виде проводящего проводника. В отдельных случаях при производстве микросхем используют совмещение обеих технологий.

Производство интегральных микросхем — сложный процесс, состоя­щий из ряд;» многократно повторяющихся, детально разработанных тех­нологических операций, некоторые из которых рассмотрены ниже

По своему функциональному назначению интегральные микросхе­мы подразделяются на линейно-импульсные и логические

К линейно-импульсным микросхемам относят микросхемы, которые обеспечивают примерно пропорциональную зависимость между вход­ными и выходными сигналами. Входным сигналом чаще всего явля­ется входное напряжение, реже входной ток, выходным сигналом — выходное напряжение. Простейшим примером линейно-импульсной микросхемы является широкополосный усилитель постоянного тока.

Логические интегральные микросхемы, как правило, представляют собой устройства с несколькими входами и выходами. В них как вход­ные, так и выходные напряжения могут принимать лишь определен­ные значения, при этом выходное напряжение зависит от наличия или отсутствия напряжений на различных входах устройства.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Оптоэлектроника использует оптические и электронные явления в веществах и их взаимные связи для передачи, обработки и хранения ин­формации. Элементной базой оптоэлсктроникн являются огггоэлектронные приборы — оптроны.

Оптроном называется устройство, состоящее из связанных между со­бой оптически (посредством светового луча) свстоизлучатсля и фотоприемника и служащее для управления и для передачи информации.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ

Индикаторы служат выходными устройствами электронных приборов и устройств для визуального графического отображения информации, представляемой в форме цифр, букв, знаков, геометрических фигур, мне­монических (удобных для распознавания и запоминания) схем, диаграмм, графиков и т п

Информация в электронных системах представляется электрическими сигналами (напряжением, током). Индикаторные приборы преобразуют эти сигналы в видимую форму Индикаторы подразделяются на актив­ные, в которых электрический сигнал преобразуется в световое излуче­ние, и пассивные, в которых пол воздействием электрического сигнала локально изменяются оптические свойства среды, в результате чего со­здастся контрастное относительно общего фона индикатора изображение, видимое лишь при наличии внешнего светового потока

По способу формирования видимого изображения наибольшее рас­пространение получили матричные и сегментные индикаторные приборы В матричных индикаторах изображение формируется из отдельных светящихся или контрастных точечных элементов В сегментных индика­торах изображение составляется из отдельных элементов — полосок.

Полупроводниковые индикаторы. Этот тип индикаторов относится к активным и выполняется на основе светоизлучающих диодов — светодиодов.