книги / Физические основы электроники

V ////////////////////////////////////////////////M

вый поток Фа, минимальный поток излучения, вызывающий изменение тока, превышающий уровень шумов. На рис. 3.46 представлена зависимость фототока фоторезисгора от длины волны светового потока.

3.7. Терморезисторы

Терморезистор — полупроводниковый прибор, сопро­ тивление которого резко зависит от температуры.

Различают два вида терморезисторов: термистор, сопро­ тивление которого с ростом температуры падает, и позистор, сопротивление которого с повышением температуры возрас­ тает (рис. 3.47).

Материалом для изготовления терморезисторов служат полупроводники с электронной электропроводимостью.

Основным параметром является температурный коэффи­ циент:

где Г — абсолютная температура;

здесь К и р — коэффициенты, зависящие соответственно от конструктивных размеров термисторов и концентрации при­ месей в полупроводнике.

• / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / л

3.8. Варисторы

Варистор — это полупро­ водниковый резистор, обладаю­ щий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристи­ кой (рис. 3.48). Параметры варисторов: статическое сопро­ тивление R, динамическое со­

противление Д , коэффициент нелинейности X (X = 2-6 — для различных типов варисторов).

Электрическая характеристика слабо зависит от темпера­ туры, влажности, освещенности и т.д.

В табл. 3.4 приведены сведения о некоторых отечествен­ ных полупроводниковых приборах и их зарубежных анало­ гах.

1.Классификация диодов и их обозначение.

2.Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов, их ос­ новные электрические параметры.

3.Особенности высоко- и сверхвысокочастотных диодов, область применения.

4.Полупроводниковые стабилитроны, принцип действия и область применения. Основные параметры.

5.Принцип действия и область применения туннельных диодов.

6.Особенности обращенного диода. Область применения.

7.Дать определение биполярного транзистора, его устройство и на­ значение в схеме.

8.Физика работы плоскостного бездрейфового транзистора.

9.Что такое коэффициент инжекции? Чем оценивается эффективность эмиттера?

10.Как влияет рекомбинация дырок в базе на величину тока через коллекторный переход?

11.Дать определение коэффициента переноса дырок плоскостного транзистора.

12.Физическая сущность эффекта модуляции базы (эффекта Эрли).

13.Перечислить дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов.

14.Пояснить, как влияют на работу транзистора барьерная и диффу­ зионная емкость эмиттерного и коллекторного переходов.

15.Перечислить схемы включения транзисторов и область их приме­

нения.

16.Нарисовать статические характеристики транзистора, которые характеризуют его работу.

17.Описать транзистор с помощью Z-, У- и А-параметров.

18.Как определить A-параметры графоаналитическим методом?

19.Дать определение тиристоров и дать их классификацию.

20.Нарисовать вольт-амперную характеристику динистора и пояс­ нить его работу.

21.Перечислить основные параметры динистора.

22.Нарисовать вольт-амперную характеристику управляемого четы­

рехслойного прибора — тиристора (тринистора) и пояснить его работу.

23.Перечислить основные параметры, характеризующие тиристор.

24.Особенность работы и управления полевых (униполярных) транзи­

сторов.

25.Обозначение, основные характеристики и область применения по­ левых транзисторов.

26.Принцип действия светодиодов, Основные параметры и область применения.

27.Классификация полупроводниковых приемников излучения.

28.Режимы работы фотодиода и область применения.

29.Основные характеристики и параметры фотодиодов.

30.Принцип работы фототранзистора. Вольт-амперные характери­ стики и основные параметры.

31.Особенности работы и характеристики фототиристоров.

32.Физика работы фототиристора, характеристики и область приме­

нения.

33.Терморезистор: классификация, основные параметры и область применения.

34.Особенности работы и область применения варисторов.

Полупроводниковые и гибридные микросхемы подразде­ ляют на схемы с малой (до 30 элементов), средней (до 150 эле­ ментов) и сверхбольшой (1000 элементов и более) степенью интеграции.

4.2. Полупроводниковые интегральные микросхемы (ПИМС)

Они состоят из единого кристалла полупроводника, от­ дельные области которого выполняют функции транзистора, диода, резистора или конденсатора.

Транзисторы в ПИМС представляют собой трехслойные структуры с двумя р —«-переходами обычно п—р —л-типа, ди­ оды — либо двухслойные структуры с одним р —«-переходом, либо транзисторы в диодном включении. Роль конденсаторов

вполупроводниковых интегральных микросхемах выполняют

р—«-переходы, запертые обратным постоянным напряжени­

ем. Максимальная емкость таких конденсаторов 100-200 пФ, а во многих схемах менее 50 пФ.

Резисторы полупроводниковых интегральных микросхем представляют собой участки легированного полупроводника с двумя выводами. Дроссели в ПИМС создавать очень труд­ но, поэтому большинство устройств проектируют так, чтобы исключить применение индуктивных элементов.

Все элементы ПИМС получают в едином технологиче­ ском цикле в кристалле полупроводника.

Возможная последовательность получения изолированных участков кремния л-типа может быть разбита на ряд этапов.

Вначале на пластину исходного кремния л-типа методом фотолитографии наносят защитную маску и производят изби­ рательное травление исходного кристалла кремния. Затем по­ сле смывания маски осуществляют окисление поверхности кристалла кремния, на которой образуется изоляционный слой SiCh.

На поверхность, защищенную слоем SiCh, напыляют слой поликристаллического кремния.

После повторного травления исходного кристалла крем­ ния образуются изолированные области («карманы») исход­ ного кремния л-типа. В этих изолированных областях с по­

мощью различных примесей (акцепторных и донорных) соз­ даются участки с электропроводностью р и л-типов, которые образуют различные элементы микросхемы.

Для соединения элементов между собой применяют золо­ тые или алюминиевые пленки, полученные методом вакуум­ ного напыления через маску соответствующей формы.

Связь микросхемы с внешними выводами осуществляют золотыми или алюминиевыми проводниками диаметром око­ ло 10 мкм, которые присоединяют к золотым или алюминие­ вым пленкам методом термокомпрессии и приваривают к внешним выводам микросхемы.

Собранную интегральную микросхему помещают в ме­ таллический или пластмассовый корпус.

В цифровой технике широко применяются интегральные микросхемы (ИМС) на базе транзисторно-транзисторной ло­ гики (ТТЛ), транзисторной логики с эмиттерными связями (ТЛЭС), инжекционной интегральной логики (ИИЛ или И2Л), а также на полевых транзисторах, которые строятся на основе п- и p-МОП технологии. Применяют обычные л- и p -каналь­ ные полевые транзисторы. Используют интегральные микро­ схемы на базе смешанной КМОП-технологии, так называемая комплементарная логика.

Базовая микросхема, использующая ТТЛ, построена на основе многоэмиттерного транзистора. Такой транзистор име­ ет базу, коллектор и от двух до восьми эмиттеров.

Основой микросхем на базе ТЛЭС является дифференци­ альный усилитель, левое плечо которого заменяют двумя и более транзисторными ключами.

Микросхемы, построенные по И2Л, удовлетворяют тре­ бованиям интегральной технологии из-за простой структуры ис-пользуемых элементов.

Микросхемы комплементарной логики объединяют л- и p-МОП структуры.

Принадлежность ИЛЭ к одной и той же серии означает одинаковую технологию изготовления, одну и ту же схему ба­ зового элемента, общие параметры, аналогичную конструк­ цию исполнения. Например:

• серия микросхем К -155 использует ТТЛ;

•серия микросхем К-500 использует ТЛЭС;

•серия микросхем К-584 использует И2 Л;

•серия микросхем K-i76 использует КМОП-технологию.

Недостатки полупроводниковых интегральных микро­ схем на биполярных транзисторах частично могут быть ском­ пенсированы ИМС на МДП-транзисторах. В цифровых ИМС широкое применение получили полевые транзисторы с ок­ сидным диэлектриком. Они образуют структуру металл— ди­ электрик — полупроводник (МДП). Логические ИМС на МДП-транзисторах делятся на статические, квазистатические и динамические. При построении таких микросхем основой являются базовые логические элементы ИЛИ — НЕ, И — НЕ, И — ИЛИ — НЕ, НЕ — И — ИЛИ. Реализация микросхем производится в основном на МДП-транзисторах p -типа. В последнее время стали применять, как дополняющие, МДПтранзисторы л-типа.

Полупроводниковые интегральные микросхемы могут рас­ сеивать мощности порядка 50-100 мВт, работать до частот 20-100 мГц, обеспечивать время задержки (время распрост­ ранения сигнала через микросхемы) 2-5 нс.

Надежность ПИМС высокая. В настоящее время в пре­ дельно нагруженных режимах среднее время безотказной ра­ боты может достигать (2-5)107 ч.

Электронные устройства на полупроводниковых интег­ ральных микросхемах могут иметь плотность монтажа до 500 элементов (активных и пассивных) в 1 см3. Среднее время без­ отказной работы устройства, содержащего 107-108 элементов, может достигать 103-104 ч.

4.3. Гибридные интегральные

микросхемы (ГИМС)

Они лишены многих недостатков, которыми обладают полупроводниковые ИМС, и включают в себя следующие конструктивные элементы:

•изоляционное основание из стекла, керамики или друго­ го материала, на поверхности которого расположены пленочные проводники, контактные площадки, резис­ торы и конденсаторы (как правило, небольшой емкости);

•навесные бескорпусные активные элементы (транзисто­ ры, диоды);

•навесные пассивные элементы в специальном миниа­ тюрном исполнении, которые не могут быть выполнены

ввиде пленок (конденсаторы большой емкости, транс­

форматоры, дроссели);

•пластмассовый или металлический корпус, который слу­ жит для герметизации схемы и крепления выводных ле­

пестков.

Гибридные интегральные микросхемы имеют высокую надежность: среднее время безотказной работы при испыта­ ниях в наиболее тяжелых режимах может достигать 106 часа и более. В условиях эксплуатации в ненагруженных режимах время безотказной работы на несколько порядков выше.

Электронные устройства на гибридных интегральных ми­ кросхемах могут иметь плотность монтажа до 60-100 элемен­ тов (активных и пассивных) на 1 см3. При такой плотности монтажа объем устройства, содержащего 107 активных и пас­ сивных элементов, может составлять всего 0,1-0,5 м3, а сред­ нее время безотказной работы 103-104 ч и более.

4.4. Параметры интегральных микросхем

В зависимости от назначения все интегральные микро­ схемы делят на два класса: линейно-импульсные и логические.

При этом в микросхеме могут нормироваться различные па­ раметры, характеризующие функциональное устройство в целом.

К линейно-импульсным относятся интегральные микросхе­ мы, обеспечивающие примерно пропорциональную зависи­ мость между входным и выходным сигналами (например, широкополосный усилитель). Входным сигналом чаще всего бывает входное напряжение, реже — входной ток; выходным сигналом — выходное напряжение.

Основные функциональные параметры линейно-импульс­ ных микросхем: коэффициент усиления по напряжению К и, входное сопротивление R n , выходное сопротивление R BMX, максимальное выходное напряжение l/вых.шах, рабочий частот­ ный диапазон/н и /в.

Общетехнические параметры интегральных микросхем — механическая прочность, диапазоны рабочих температур, ус­ тойчивость к пониженным и повышенным давлениям и вла­ гостойкость — обычно не хуже, чем у полупроводниковых диодов и транзисторов.

Преимущества интегральных микросхем: высокая надеж­ ность, малые размеры, масса, высокое быстродействие (малые размеры — маленькие паразитные емкости), высокая эконо­ мичность.

Недостаток — небольшая величина выходной мощности, которая, как правило, составляет 50-100 мВт.

В соответствии с принятой системой условных обозначе­ ний все выпускаемые отечественные интегральные микросхе­ мы в зависимости от конструктивно-технологического испол­ нения делятся на три группы: 1, 5, 7, — полупроводниковые; 2, 4, б, 8— гибридные; 3 — прочие (пленочные, вакуумные идр.).

До 1974 года обозначение интегральных микросхем коди­ руется следующим образом: первая цифра в обозначении мик­ росхемы указывает на ее вид; две буквы — функциональный класс и группу данного класса; две цифры после буквенного индекса совместно с первой, впередистоящей цифрой образу­ ют номер конструктивно-технологической серии; последняя цифра определяет номер разработки микросхемы в данной серии. Если перед кодом поставлена буква «К», то она указы­ вает на широкое применение данной серии. В конце кода могут стоять буквы от А до Я, которые характеризуют груп­ пы микросхем по разбросу параметров и питающим напря­ жениям. Например, микросхема К1УС181А.

После 1974 года ИМС кодируется так: первый элемент — цифра, указывающая на конструктивное исполнение микро­ схемы (полупроводниковая, гибридная, пленочная); второй элемент — две цифры — порядковый номер разработки мик­ росхем от 00 до 99; третий элемент — две буквы — функцио­ нальное обозначение микросхемы; четвертый элемент — по­ рядковый номер разработки микросхем по функциональному