Схемотехника

ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ «СХЕМОТЕХНИКА» ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РАЗВИТИИ ЭЛЕКТРОНИКИ 1983 год – Эдисон открыл эффект термоэлектронной эмиссии – основа работы всех радиоэлектронных ламп и ЭЛТ. 1905 год – Джон Флеминг запатентовал первую электронную лампу – выпрямитель. 1906 год – в электронную лампу введен третий электрод (управляющая сетка). Сделал это американец Ли-де-Форест и, таким образом, был создан триод – первый усилительный электронный элемент. В 1913 году на основе триода был создан первый автогенератор. На базе электронных ламп были созданы первые вычислительные системы (компьютеры I поколения). В них использовались тысячи электронных ламп, располагающихся в шкафах, весящих несколько тонн, которые занимали специально оборудованное мощной вентиляционной системой, сооружения. Для питания такой ЭВМ требовалась целая электростанция. Пик расцвета ламповой схемотехники пришелся на 30 – 50 годы прошлого столетия. 1928 год – зарегистрирован первый патент на полевые полупроводниковые транзисторы. В 1934 году появился первый действующий полевой транзистор. 23 декабря 1947 года считается днем рождения первого действующего биполярного транзистора. На базе них были созданы компьютеры II поколения. Позднее транзисторы заменили вакуумные электронные лампы в подавляющем большинстве устройств электронной техники, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров (3-е, 4-е и 5-е поколения). И, несмотря на очень широкое распространение интегральных схем, дискретные транзисторы до сих пор активно применяются в различных электронных приборах, как элементы связи, мощные электронные ключи и усилители. 7 мая 1952 года в Британии впервые выдвинута идея интегрирования множества стандартных электронных компонентов (биполярных транзисторных структур) в монолитном кристалле полупроводника, а в 1953 году была подана первая патентная заявка на прототип интегральной схемы (ИС) (Харвик Джонсон). Реализация идеи в то время не состоялась из-за недостаточного развития технологии изготовления. 27 сентября 1960 года была создана первая ИС. По количеству элементов, располагающихся в одном монолитном кристалле, ИС делятся на: - МИС – интегральные микросхемы малой степени интеграции (до 100 элементов в кристалле); - СИС – средняя степень интеграции (до 1000 элементов в кристалле); -БИС – большая степень интеграции (до 10000 элементов в кристалле); СБИС – сверхбольшая степень интеграции (свыше 10000 элементов в кристалле). Последние версии процессоров содержат более 2-х миллиардов транзисторных структур в 1-ом кристалле. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ПОЛУПРВОДНИКОВ Полупроводниками принято считать кристаллические вещества, электрические характеристики которых занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (абсолютными изоляторами). Главной особенностью кристаллических веществ является характерная упорядоченная упаковка их атомов в своеобразные кубики-кристаллы. Кристаллы различных веществ различные, каждый имеет строго свое расположение атомов, образующих кристаллическую решетку. Из числа полупроводников, имеющих практическое применение в современной электронике, следует выделить в первую очередь германий и кремний (элементы 4-й группы таблицы Менделеева). На внешней оболочке этих веществ находятся 4 валентных электрона, создающих прочные валентные связи между атомами. В абсолютно чистом германии или кремнии при низких температурах нет свободных электронов, способных создавать электрический ток., т.к. в этих условиях все 4 валентных электрона внешних оболочек каждого атома прочно удерживаются валентными связями. Поэтому такое вещество является диэлектриком (изолятором) – оно совершенно не пропускает электрический ток. При повышении температуры благодаря тепловому движению некоторые валентные электроны отрываются от своих связей и могут перемещаться по кристаллической решетке. Такие электроны называются свободными, а валентная связь, от которой оторвался электрон, называется дыркой. Она обладает свойствами положительного электрического заряда, в противоположность электрону, имеющему отрицательный электрический заряд. Чем выше температура, тем больше количество освобожденных электронов и соответственно дырок, тем больше проводимость вещества. Однако, перемещаясь по кристаллической решетке, свободные электроны могут встретить дырки – валентные связи, в которых не хватает электронов, и заполнить эти связи. Это явлении носит название рекомбинации. При нормальных температурах в массе полупроводникового материала непрерывно появляются свободные электроны и происходят рекомбинации электронов и дырок. Процесс неуправляемый и, поэтому, не имеет практического применения. Проводимость полупроводника можно значительно улучшить путем введения в него небольшого количества специально подобранных примесей. В кристаллической решетке атомы этих примесей будут замещать некоторое количество атомов непосредственно полупроводника. Если атом примеси имеет большее число валентных электронов, чем это требуется для образования валентных связей с соседними атомами полупроводника, то в кристалле появляются дополнительные свободные электроны, которые могут свободно перемещаться, улучшая электропроводность вещества. Такие примеси называются донорными, поскольку они отдают электрон полупроводнику. Для германия и кремния (4-я группа таблицы Менделеева) донорами могут быть элементы из 5-й группы: фосфор, мышьяк, сурьма (на внешней оболочке их атомов находятся 5 валентных электронов). Если же атомы примеси имеют меньшее число валентных электронов, чем то, что необходимо для образования валентных связей с атомами полупроводника, то некоторые эти связи окажутся незаполненными, в них образуются дырки. Такие примеси называются акцепторными, поскольку они поглощают свободные электроны. Для германия и кремния акцепторными примесями являются элементы 3-й группы таблицы Менделеева: бор, алюминий, галий, индий (на внешней оболочке по три валентных электрона). Дырки могут перемещаться по кристаллической решетке как положительные заряды. При этом происходит перемещение не самого атома примеси, который имеет фиксированное и неизменное положение в кристаллической структуре полупроводника, а незаполненной валентной связи, проявляющей себя как положительный заряд, численно равный отрицательному заряду электрона. Электрон другого атома вблизи дырки под действием силы притяжения ее положительного заряда «впрыгивает» в дырку (происходит рекомбинация дырки и электрона и их заряд нейтрализуется). Таким образом перемещение электронов в кристалле полупроводника с акцепторной примесью и рекомбинацию их с дырками можно рассматривать как перемещение дырок (т.е положительных зарядов). (Игра в ручеек). Полупроводники, электропроводность которых возросла при добавлении в них донорных примесей (увеличилось количество свободных электронов), называют полупроводниками n-типа. Полупроводники, электропроводность которых обусловлена движением дырок (за счет акцепторных примесей) называют полупроводниками р-типа. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ (Р-N) ПЕРЕХОД В основе принципа действия подавляющего большинства полупроводниковых приборов лежат процессы, происходящие в переходном слое, образованном в полупроводнике на границе двух зон с проводимостями различного типа р и n. Эту границу принято называть р-n переходом. Обычно для получения р-n перехода на поверхность полупроводника р или n типа помещают кусочки примеси, например, индий (3-я группа) на поверхность кремния или германия n типа и, наоборот, фосфор (5-я группа) на поверхность кремния или германия р типа. Далее сплавляют их при высокой температуре. В результате создается зона с проводимостью противоположной проводимости исходного полупроводника. Характерной особенностью р-n перехода является резко выраженная зависимость его электрической проводимости от полярности приложенного к нему внешнего напряжения. В первом случае под действием приложенных потенциалов батареи Б1 дырки и электроны будут двигаться навстречу друг-другу к р-n переходу, где проходит их рекомбинация. Таким образом, пока приложено напряжение через переход всегда течет ток. Чем больше приложенное напряжение, тем больше ток через переход (стрелка амперметра А отклоняется, показывая величину этого тока). В этом случае говорят, что р-n переход включен в прямом направлении (или открыт). Во втором случае (при смене полярности приложенного напряжения батареи Б1) электроны и дырки будут двигаться в направлении от перехода, и он будет обеднен носителями заряда. Число рекомбинаций значительно сократиться и ток через переход станет очень малым (практически равным нулю). В этом случае р-n переход включен в обратном направлении (или закрыт). Стрелка амперметра А практически не отклоняется. К сожалению, электрические параметры полупроводников, как видно из вышеизложенного, зависят от таких факторов, как температура окружающей среды и других внешних воздействий (например, радиации). В них всегда присутствуют неуправляемые остаточные токи, возникающие при рекомбинации электронов и дырок из-за внешних воздействий (дестабилизирующих факторов). Поэтому, при использовании полупроводниковых приборов необходимо применять специальные схемные решения, уменьшающие эти факторы. На базе р-n переходов созданы полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы, составляющие основу современной электронной техники. Полупроводниковые диоды представляют собой пластинку монокристаллического полупроводника, в которой образован один электронно-дырочный переход. Условное изображение диода: Выпрямительные диоды предназначены для одностороннего пропускания тока в прямом направлении. Их основными параметрами являются максимальный выпрямленный (прямой) ток Iвыпр.макс. и максимальное обратное напряжение Uобр.макс. (сокращенно Iмакс. и Uмакс.) Такие диоды рассчитаны на токи от долей до сотен Ампер (А) и напряжение от десятков до несколько тысяч Вольт (В). В последнее время очень сильно расширилось применение светодиодов: Цвет свечения определяется химическим составом кристалла. Для нормального свечения светодиодов требуется напряжение в несколько В и ток 5 – 10 мА. В отношении экономии потребления тока светодиоды значительно превосходят обычные лампы накаливания.