Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 2

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Прогрес електроніки сприяв виникненню та розвитку кібернетики -науки, що займається питаннями управління та зв'язку в машинах і живих організмах. Він забезпечив створення швидкодіючих обчис­лювальних машин, без широкого застосування яких неможливе ви­користання космосу за допомогою штучних супутників землі, ракет, космічних кораблів та автоматичних міжпланетних станцій.

Електроніка стала могутнім засобом автоматизації та контролю виробничих процесів. Виключно велику роль відіграє вона при ство­ренні роботизованих комплексів, що сприяють зменшенню викорис­тання ручної праці у виробництві та підвищенню якості продукції, що випускається.

Таким чином, тенденція розвитку техніки сьогодні така, що частка електронних вузлів у інформаційних пристроях автоматики безперерв­но зростає. Цьому значною мірою сприяло широке впровадження інтег­ральної технології, що дала змогу на одному кристалі напівпровідника малої площі (тисячні частки - декілька квадратних міліметрів) виго­товляти складні функціональні вузли різного призначення.

В останні роки освоєно випуск великих інтегральних мікросхем

(ВІМС). Кількість елементів кожної ВІМС коливається від десятків оди­ниць до сотень тисяч і сягає кількох мільйонів у надвеликих мікросхемах.

Типові функціональні мікровузли дають змогу зібрати потрібний елек­тронний блок без детального розрахунку окремих каскадів. І лише у тому випадку, коли типові інтегральні схеми не розв'язують якогось конкретного завдання, до них додають вузли на дискретних елемен­тах, що потребує проведення відповідних розрахунків.

Значно підвищився інтерес до оптоелектроніки, де, крім електрич­них сигналів, використовуються і світлові. Тепер багато пристроїв, ство­рення яких за допомогою суто засобів електроніки викликає значні труд­нощі, відносно просто можуть бути реалізовані за допомогою засобів оптоелектроніки.

Стисло розглянемо історію електроніки.

Фундамент для виникнення і розвитку електроніки було закладено працями фізиків у ХУШ - ХІХ ст.

Перші у світі дослідження електричних розрядів у повітрі були здійснені Бенджаменом Франкліном у 1747-1753 роках (саме тим Фран­кліном, який у 1754 році запропонував план об'єднання англійських ко­лоній у Північній Америці, що на його основі пізніше було утворено дер­жаву США, а у 1775 році брав участь у написанні Декларації незалеж­ності і тепер зображений на стодоларовій банкноті США). Це він дав назви: "батарея", "конденсатор", "провідник", "заряд", "розряд"; довів електричну природу блискавки; створив теорію статичної електрики, єдиним недоліком якої на наш час є лише те, що носії заряду у ній мають позитивний заряд; винайшов блискавковідвід, вперше встанов­лений у 1760 році у місті Філадельфія.

Подібні дослідження здійснили також російські академіки М. В. Ломо­носов і Г. В. Ріхман (один з перших, якщо не перший, хто перетворив електрику на точну науку, створивши перший у світі електричний вимірю­вальний прилад - електрометр для вимірювання статичної електрики).

Важливою подією було відкриття електричної дуги академіком В. В. Петровим у 1802 році. Дослідження проходження електричного струму в розріджених газах проводили у минулому столітті в Англії -Крукс, Д. Томсон, Тоунсенд, Астон, а також у Німеччині - Гейслер, Гітторф, Плюккер та інші вчені.

Одним із найперших електронних приладів можна вважати фото­резистор із селену, винайдений у США У. Смітом в 1873 році. Тоді ж А. Н. Лодигін винайшов перший у світі електровакуумний прилад -лампу розжарювання. Дещо пізніше, таку ж лампу створив і удоско­налив відомий американський винахідник Едісон. Електрична дуга була вперше використана для освітлення П. Н. Яблочковим у 1876 році.

У 1874 році німецький вчений К. Ф. Браун відкрив ефект односторон­ньої провідності контакту метал - напівпровідник (селен).

Виходячи з теорії електромагнітного поля Дж. К. Максвелла, що була теоретичним обґрунтуванням і тріумфом ідей та дослідів Майкла Фарадея, який на основі електродинаміки Андре-Марі Ампера відкрив явище електромагнітної індукції, Генріх Герц у 1886 році відкрив елек­тромагнітні хвилі.

У 1887 році також Герц відкрив фотоелектричний ефект, а дослід­ження цього явища, що їх проводив із 1888 року А. Г. Столєтов (він відкрив основні закони фотоефекту), поклали початок розвитку фото­електронних приладів.

Термоелектронну емісію (одну з основ електронно-вакуумних при­ладів) було відкрито у 1884 році Едісоном, але сам він, нічого не знаю­чи про електрон, який був відкритий Дж. Дж. Томсоном лише 1897 року, не зміг пояснити це явище. Детальні дослідження термоелектронної емісії провів у 1901 році Річардсон.

1895 року уперше здійснено дальній безпровідний зв'язок А. С. По­повим, а роком пізніше - італійцем Дж. Марконі (щоправда, суперечка за першість у цьому продовжується до цього часу).

Використання електронних приладів у радіотехніці розпочалося з того, що у 1904 році англійський вчений Дж. А. Флемінг застосував двоелек-тродну лампу-діод із розжареним катодом, раніше винайдену Едісо-ном (але він не знайшов для неї практичного застосування), для випрям­лення (детектування) високочастотних коливань у радіоприймачі.

Важливим винаходом було створення у 1905 році Хелом у США га-зонаповненого діода - газотрона.

У 1906 році американський інженер Л. де Форест ввів у лампу-діод керуючу сітку, тобто створив перший тріод. Майже одночасно те ж саме здійснив Лібен у Німеччині.

У 1907 році професор Петербурзького технологічного інституту Б. Л. Розінг запропонував використання електронно-променевої трубки для приймання телевізійних зображень і у наступні роки здійснив екс­периментальне підтвердження своїх ідей. Це надає нам право визна­вати Б. Л. Розінга одним з основоположників сучасного телебачення.

У 1913 році німецький вчений Мейснер застосував тріод для генеру­вання електричних коливань.

У Росії перші тріоди для приймання радіосигналів виготовили у 1914­1916 роках незалежно один від одного Н. Д. Папалексі і М. А. Бонч-Бруєвич.

У 1918 році була створена Нижньогородська радіолабораторія, де під керівництвом М. А. Бонч-Бруєвича розроблялись потужні ге­нераторні й малопотужні лампи. Активну участь у цих роботах брали Б. А. Остроумов, А. М. Кугушев, А. А. Нікітін, А. А. Остряков та багато інших вчених.

У 1918-1919 роках Бонч-Бруєвич опублікував теорію тріода, що мала велике значення для розрахунків та проектування електронних ламп (подібні праці в той же час незалежно опублікував німецький вчений Баркгаузен).

Поряд з вакуумними електронними лампами у Нижньогородській радіолабораторії під керівництвом В. П. Вологдіна були створені по­тужні ртутні випрямлячі.

У 1922 році співробітник Нижньогородської радіолабораторії Лосєв відкрив можливість генерування і підсилення електричних коливань за допомогою напівпровідникового детектора. На жаль, це відкриття не отримало тоді належного розвитку.

У 1921 році Хелл запропонував магнітрон, а у 1930 - пентод, що став однією з найбільш розповсюджених електронних ламп. Тоді ж Л. А. Кубецький винайшов фотоелектронні помножувачі (аналогічні прилади у США винайшов Фарнсворт).

Перші успішні експерименти із телевізійними передавальними електронними трубками (до речі, за глибокої несхвали прибічників електромеханічного телебачення) проводив Б. П. Грабовський - син відомого українського письменника П. А. Грабовського: у 1928 р. в Ташкенті вперше передано й прийнято рухоме зображення за допо­могою повністю електронних засобів.

У 30-х роках подібними експериментами з передавальними трубка­ми також займались А. П. Константинов, С. І. Катаєв, П. В. Шмаров, П. В. Тимофєєв.

До речі, телевізор, виконаний на основі електромеханічної системи передачі зображення, широкому загалу вперше продемонстрував шот­ландський винахідник Джон Берд 27 січня 1926 року. В СРСР перша експериментальна телепередача відбулася у квітні 1931 року у Москві. А перші регулярні телепередачі розпочато у 1934 році в Німеччині.

Перший селеновий випрямляч виготовив німецький вчений Прессер у 1932 році.

Першу електронну обчислювальну машину (на лампах-тріодах) було створено у США у 1946 році.

Але всі ці епохальні відкриття та успіхи можна вважати лише попе­редніми кроками у створенні теорії електроніки, електронних приладів та схемотехнічних прийомів, оскільки справжня революція в електроніці розпочалася у 1948 році - після винайдення американськими вченими, співробітниками Bell Laboratories Д. Бардіним, У. Браттейном і У. Шеклі транзистора.

Більше того, дехто вважає, що розвиток електроніки, власне, тільки з цього й розпочався! І таке твердження не позбавлене сенсу з огляду на те, якими темпами почали розвиватися електронні технологія, при­лади, схемотехніка. Досить звернути увагу на те, що після недовго­часного періоду панування пристроїв на дискретних транзисторах вже у 1965 році Відлар (фірма Fairchild, США) запропонував операційний підсилювач в інтегральному виконанні, а у 1971 році з'явився перший мікропроцесор (фірма Intel, США).

Поєднання інтегральних аналогових та цифрових пристроїв у сукупності з комп'ютерними технологіями (на основі мікропроцесорів) відкрило по­дальші найширші перспективи у розвитку і застосуванні електроніки.

Успіхи енергетичної електроніки пов'язані з розвитком силових на­півпровідникових електронних приладів. Це - створення силового діо­ду (10 А, 200 В) у 1954 році, винахід у 1956 році тиристора, а далі СІТ-та IGBT-транзисторів у середині 70-х років.

Поєднання силових напівпровідникових приладів з інтегральними системами керування забезпечує прогрес у цій галузі.

Бажаємо Вам успіху у вивченні курсу!

РОЗДІЛ 1

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ

1.1. Напівпровідники. Загальні відомості

Перед тим, як приступити до розгляду теми, задамося питанням: чому мова далі піде саме про напівпровідники? А це тому, що, як видно з опису розвитку електроніки, в наш час найбільші успіхи у цій галузі пов'язані із застосуванням пристроїв, виконаних на напівпровідникових приладах.

Напівпровідники (НП) належать до класу речовин, що мають твер­ду кристалічну структуру і за питомою провідністю (104 - 10-10 Сим/см) займають проміжне місце між провідниками (104 - 106 Сим/см) та діелек­триками (10-10 Сим/см та менше).

При виготовленні НП електронних приладів частіше використовують кремній (Si - має робочу температуру до 140°C), германій (Ge - най­більша робоча температура 75°C), арсенід галію (GaAs - працює при температурах до 350-400°C).

До НП також відносять селен, телур, деякі оксиди, карбіди та сульфіди.

НП мають такі властивості:

1) негативний температурний коефіцієнт опору - із збільшенням тем­ператури їхній опір зменшується (у провідників - зростає);

2) додавання домішок призводить до зниження питомого опору (у провідників - до збільшення);

3) на електричну провідність НП впливають радіація, електромагнітне випромінювання.

Процеси електропровідності НП і діелектриків подібні, але суттєво відрізняються від електропровідності провідників.

Зазначимо, що електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома ре­човини, мають назву валентних. Вони найслабкіше зв'язані з ядром і визначають фізичні та хімічні властивості речовини.

У провідників електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома, слаб­ко зв'язані з ядром і тому досить легко покидають свої атоми, після чохаотично переміщуються у матеріалі - стають вільними. Якщо до про­відника прикласти зовнішнє електричне поле, виникне впорядкований рух електронів - електричний струм.

У НП усі валентні електрони міцно зчеплені з кристалічними ґратками завдя­ки так званому ковалентному зв'язку, про який Ви знаєте з хімії. Доки цей зв'язок існує, електрони не можуть переносити електричний заряд у матеріалі.

Механізм електропровідності НП роз­глянемо на прикладі кристалічних ґраток германію, що є елементом IV групи пе­ріодичної системи Менделєєва. Ґратки у Рис. 1.1 - Кристалічні ґратки вигляді плоскісної структури зображено германію на рис. 1.1.

Атоми германію розміщені у вузлах кристалічних ґраток, їх зв'я­зок з іншими атомами здійснюється за допомогою чотирьох валент­них електронів. Подвійні лінії між вузлами вказують на ковалентний характер зв'язку, тобто кожна пара валентних електронів належить водночас двом сусіднім атомам. При температурі абсолютного нуля і за відсутності опромінення у НП відсутні рухомі носії і його електрич­ний опір великий (нескінченний).

За звичайних умов, внаслідок дії на речовину теплової енергії, де­які з валентних електронів покидають ковалентні зв'язки і стають електронами провідності - відбувається процес генерації пар носіїв: електронів і дірок. При цьому дірка - вакантне місце у ковалентному зв'язку - має позитивний заряд, що їй приписується умовно.

Якщо тепер помістити НП в електричне поле, виникне спрямований рух зарядів - електричний струм. На відміну від провідників струм в НП забезпечується носіями двох зарядів - позитивного © (дірки) та негативного 0 (електрони).

Провідність чистого НП має назву власної, сам же НП відносять до i-типу. Власна провідність звичайно невелика. Значно більшу провідність мають НП із домішками, до того ж її характер залежить від виду домішок.

Розглянемо приклад, коли у роз­плав чистого германію додається домішка п'ятивалентного елемен­та (V група таблиці Менделєєва), наприклад, арсену (As), як показа­но на рис. 1.2.

При застиганні у деяких вузлах кристалічних ґраток германію його атоми заміщуються атомами до­мішки. При цьому чотири валент­них електрони домішки створюють систему ковалентних зв'язків із чо-

надлишковий електрон

позитивний іон

Рис. 1.2 - Кристалічні ґратки германію з донорною домішкою тирма валентними електронами германію, а п'ятий електрон домішки виявляється надлишковим - вільним. Вільні електрони залишають у вузлах кристалічних ґраток нерухомі позитивно заряджені іони, що ство­рюють у кристалі позитивний об'ємний заряд.

Домішка, що віддає вільні електрони, називається донорною. НП з переважаючою кількістю вільних електронів має назву НП з електрон­ною провідністю, або НП и-типу.

Розглянемо введення у германій до­мішки з трьома валентними електронами (III група таблиці Менделєєва), наприклад, індію (In), як це показано на рис. 1.3.

Для утворення ковалентного зв'язку між атомами Ge та In одного електрона не вистачає. При дії теплоти навколиш­нього середовища електрони з верхнього рівня валентної зони переміщуються на рівень домішки, створюючи зв'язки, яких не вистачає, завдяки чому у валентній зоні утворюються рухомі дірки, а атоми домішки перетворюються у негативні іони. Така домішка називається акцепторною, а НП з переважною кількістю дірок - НП з дірковою провідністю, або р-типу.

Переважаючі у НП рухомі носії заряду мають назву основних, решта - неосновних.

дірка

І негативний іон

Рис. 1.3 - Кристалічні ґратки германію з акцепторною домішкою

2D

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

1.2. Фізичні основи роботи електронно-діркового переходу (p-n переходу)

основні носи'

(p /неосновні \ -Ik—,/ носії Ч^<Ц-

© аэст     і©о о

□ © □ ©      о □© □

© EI© П О □©

© □ Щ\   ЛЬ и© и

іони

Евн

□ ©

[~~|

1 + і

о □

© □

 

1 + і

□ о

□ ©

 

1 + і

о □

)

 

 

 

p-n переходом називається вузька зона на межі між шарами НП p- і n-типу, як зображено на рис. 1.4.

Фізичні процеси, що відбуваються у p-n переході, визначають параметри та характеристики більшості НП приладів.

Допустимо, що концентрація основ­них носіїв у обидвох шарах НП одна­кова. При об'єднанні двох НП виникає взаємна дифузія (яку можна вважати за дифузійний струм і ) електронів із n-шару у p-шар (вони заповнюють вільні ковалентні зв'язки), а дірок - у протилежному напрямку. Внаслідок цього у приконтактній зоні НП р-типу (завдяки іонам акцепторної домішки ГТ]) з'являється негативний заряд, а у приконтактній зоні n-типу (завдяки іонам донорної домішки [©) - позитив-

РИміж ■^!ар^ТмВи0^Є;аЯ/>Нгаи ЇГ   ний заряд. Між цими зарядами вини-p-n переходу з кає внутрішнє електричне поле з напру-

потенціальним бар'єром jK женістю Em, що гальмує рух основних носіїв зарядів. З іншого боку, це поле виявляється прискорюючим для неосновних рухомих носіїв зарядів (теплових), внаслідок чого через межу між НП виникає дрейфова складова струму і протилежна дифузійній складовій і зумовленій рухом основних носіїв зарядів (внаслідок про­тікання і   відбувається рекомбінація рухомих основних носіїв зарядів).

У сталому становищі

і А+ і = 0. (1.1) Ця рівновага настає за певної контактної різниці потенціалів, що визначаєть­ся величиною об'ємного заряду і називається потенціальним бар'єром j

Величина j залежить від матеріалу НП і його температури. Для германію j G = (0,4 - 0,6) В, для кремнію j   = (0,6 - 0,8) В.

p

n

+

о

+

о

Зона об'ємного заряду - це і є електронно-дірковий перехід (p-n перехід). Ширина його, позначена як L, вимірюється десятками мікронів. Оскільки у p-n переході відсутні рухомі носії зарядів (він за­повнений нерухомими іонами), то його електричний опір дуже великий.

Розглянемо поведінку p-n переходу при підімкненні до нього зовнішньої на­пруги. Можливе пряме або зворотне вмикання.

При зворотному вмиканні, як по­казано на рис. 1.5, до p-n переходу при­кладається зовнішня напруга U3h, внас­лідок чого до його внутрішнього елек­тричного поля додається зовнішнє елек­тричне поле з напруженістю Е . У ре­зультаті поле в p-n переході зростає і його напруженість дорівнює

Е рез — Евн + Езн • (1-2)

Оскільки електричний опір p-n переходу дуже великий, то майже вся напруга Um прикладається до нього.

Отже, різниця потенціалів на переході становить

неосновні носїі

+

изн

Рис. 1.5 - Зворотне вмикання p-n переходу

■Фк +    0-У

Запірні властивості переходу при цьому зростають, дифузійна скла­дова струму ідиф зменшується, а дрейфова ідр не змінюється (бо зале­жить лише від ступеня нагріву речовини). Через перехід протікає зво­ротний струм

Оскільки ідиф® 0, то зворотний струм визначається концентрацією неосновних носіїв зарядів і є незначним.

При прямому вмиканні, як показано на рис. 1.6, за зазначеної полярності зовнішньої напруги зовнішнє електричне поле спрямоване назустріч внутрішньому, і результуюча напруженість зменшується

Eрез — Евн - Езн - (1.5)

При цьому ідиф зростає, а ідр зменшується. Різниця потенціалів ста­новить

Ф

рез

■Фк - (1.6)

Р

n

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

о

неосновні носії

_+_

U3H

Рис. 1.6 - Пряме вмикання p-n переходу

и3в

У цьому випадку через перехід тече прямий струм

Іпр = Ідиф Ідр • і1-7)

Він зумовлюється дифузійною скла­довою струму, тобто залежить від кон­центрації основних рухомих носіїв за­рядів, і є великим.

Оскільки у p-n переходу явно вира­жені нелінійні властивості, то залеж­ність струму, що через нього протікає, від прикладеної напруги ілюструють за допомогою вольт-амперної характе­ристики (ВАХ).

Теоретична ВАХ p-n переходу показана на рис. 1.7. Вона має пряму (1) та зворотну (2,3) гілки.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка