Линейные цепи

Электронные цепи состоят из отдельных элементов - резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, полупроводниковых приборов и т.д. На входе этих цепей обычно находятся преобразователи неэлектрических сигналов в электрические (датчики), а на выходе - преобразователи электрических сигналов в управляющее воздействие (исполнительные устройства), В электронной цепи происходит преобразование как информационных (изменяется энтропия), так и энергетических (изменяется мощность) характеристик сигнала. Каждый элемент цепи имеет минимум два вывода (полюса), с помощью которых осуществляется их связь с другими элементами цепи.

Любую электрическую цепь, сколь бы сложной она ни была, можно условно разделить на отдельные двух- или четырехполюсники.

Режим цепи, при котором напряжение и ток неизменны во времени, или представляют собой периодические функции с неизменной амплитудой, наз-ся стационарным или установившимся. Процесс перехода цепи от одного стационарного состояния к другому наз-ся нестационарным или переходным процессом. Переходные процессы в RLC - цепях широко используются в автоматике и вычислительной технике для преобразования одной формы напряжений или токов в другую. Поскольку катушки индуктивности плохо совместимы с микроэлектронной технологией, то в современной схемотехнике для этих целей чаще используют цепи, содержащие конденсаторы и резисторы.

Анализ физических процессов в RC - цепях при воздействии на их вход импульсных прямоугольных сигналов показывает, что напряжение на отдельных элементах цепи равно:

u_R(t) = U_mexp(-t/t); u_C (t) = U_M - u_R(t),

если время t отсчитывать от момента скачкообразного нарастания напряжения от 0 до U_M, и

u_C (t) = U_mexp(-t/t); u_R(t) = - u_C (t),

если время t отсчитывать от момента скачкообразного уменьшения входного напряжения от U_M до 0.

В этих выражениях t=RC имеет размерность времени и называется постоянной времени цепи.

5. Элементы п/п электроники.

Основными элементами, из которых собраны устройства электроники и ЭВМ, являются интегральные микросхемы. Упрощенной моделью п/п микросхемы является устройство, состоящее из множества транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов, соединенных в определенном порядке, Понять принцип работы микросхем можно, рассмотрев работу диодов и транзисторов различных типов.

а) Диоды. В большинстве п/п приборов используется граница раздела разнородных полупроводников n- и p - типа - так называемый электронно-дырочный переход. Каждая область п/п кристалла в целом нейтральна, т.к. заряд свободных основных носителей тока компенсируется противоположным по закону зарядом локализованных ионов примесей. Вследствие тепловой диффузии подвижные дырки переходят из p-области в n-область, а электроны - в обратном направлении. В областях с противоположной проводимостью большая часть их рекомбинирует, образуя нейтральные атомы. В результате в пограничной зоне резко уменьшается кол-во свободных носителей заряда и появляется объемный некомпенсированный заряд, образованный локализованными положительными (n-область) и отрицательными (р-область) ионами примесей. Возникшая на границе раздела контактная разность потенциалов U_к препятствует дальнейшему перемещению зарядов, и поэтому обедненную свободными носителями область называют также запорным слоем, т.к. ее сопротивление очень велико по сравнению с сопротивлением остальных частей кристалла, Таким образом, кристалл с p-n- переходом можно рассматривать как сопротивление, величина которого зависит от ширины p-n - перехода.

Зависимость тока через переход от величины и полярности приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). При напряжении, меньшем U пробоя, p-n-переход обладает односторонней проводимостью, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного диода. Явление обратимого лавинного пробоя (участок CD) позволяет использовать п/п диод в качестве стабилитрона для стабилизации напряжения.

б) Фотодиоды. При облучении полупроводника фотонами с энергией, большей или равной ширине запрещенной зоны (hn≥DE), в нем генерируются электронно-дырочные пары. Так как световое излучение сильно поглощается в полупроводнике, то образование электронов и дырок происходит на небольшой глубине от облучаемой поверхности. Если вблизи места генерации электронно-дырочных пар имеется p-n - переход, то свободные носители заряда, диффундируя, попадает в его поле и разделяются им: дырки перебрасываются в р-область, а электроны - в n-область. В результате между выводами облучаемого p-n - перехода, называемого в этом случае фотодиодом, возникает фотоЭДС. Величина фотоЭДС не может превышать контактной разности потенциалов p-n перехода и составляет обычно 0,5 - 0,8 В.

 

 

 

 

Две возможные конструкции фотодиодов схематически показаны на рис. 2.19. Недостаток первой конструкции (рис. 2.19, а) – небольшая поверхность облучения, ширина которой не может быть сделана больше длины свободного пробега диффундирующих электронов (L_n) и дырок (L_p). Во втором случае (рис. 2.19, б) можно получить большую рабочую поверхность, но толщина освещаемой области диода не должна превышать длину свободного пробега. Условное обозначение фотодиода показано на рис. 2.19, б. На рис. 2.19, г представлено семейство ВАХ кремневого фотодиода. Статический коэффициент преобразования (чувствительность) фотодиодов, равный отношению фототока к освещенности, около 0,1 мкА/лк.

в) Светодиоды. При протекании прямого тока через диод происходит инжекция носителей заряда через р-n – переход. Инжектированные носители заряда рекомбинируют. При рекомбинации возможно излучение фотона hn, энергия которого равна изменению энергии электрона DЕ при его переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий. Для того чтобы излучение попадало в диапазон длин волн видимого глазом света (0,45 мкм<l0,68 мкм), необходимы п/п материалы с шириной запрещенной зоны от 1,8 до 2,8 эВ. В зависимости от количества примесей можно в небольших пределах менять длину волны максимума излучения.

К.п.д. современных светоизлучающих (сверх ярких) диодов достигает до 10%. Яркость свечения пропорциональна прямому току. Диоды обладают высоким быстродействием.

Конструктивное исполнение светодиода сильно влияет на излучаемую мощность, так как в полупроводнике происходит поглощение части фотонов и полное внутренне отражение света от поверхности. Для уменьшения внутренних потерь толщину прозрачной области диода делают как можно меньше, а ее форму – полусферической. На рис. Изображены конструкции плоского и полусферического светодиодов и их условное обозначение.

г) Полевой транзистор - п/п прибор, сопротивление которого меняется под действием электрического поля, создаваемого в объеме п/п при помощи напряжения, подаваемого на управляющий электрод-затвор.

В цифровой технике наибольшее распространение получили полевые транзисторы с изолированным затвором. Основой транзистора является кристаллическая пластина кремния р-типа, которая называется подложкой. На одной поверхности подложки создают две области с проводимостью n-типа.

На поверхности пластины между этими областями создают тонкий слой диэлектрика, а поверх него наносят металлическую пленку (З), выполняющую роль затвора. Такая же металлическая пленка наносится на две n-области, одна из которых наз-ся истоком (И), а другая - стоком (С), и на обратную сторону подложки (П). К истоку и стоку транзистора подключается источник постоянного напряжения U_c. При напряжении на затворе U_з, равном нулю, тока в цепи сток - исток не будет, так как сток и исток образуют с подложкой два p-n - перехода, один из которых включен в обратном (запирающем) направлении. При некотором напряжении на затворе U_з, превышающем пороговое напряжение U_п, возникает индуцированный канал с электронной проводимостью, соединяющий сток и исток. Чем больше U_з, тем больше удельная проводимость канала и, следовательно, тем
больше ток в цепи стока I_с. Зависимость I_с = f(U_с) при U_с = const называется проходной характеристикой (рис. 2.21 – в).

Полевой транзистор с изолированным затвором позволяет переключать значительную мощность в выходной цепи, затрачивая для управления во входной цепи очень маленькую мощность, так как ток затвора практически равен нулю (затвор отдален от канала слоем изолятора). Транзисторы с изолированным затвором называют также МДП - транзисторами, что отражает их структуру: металл - диэлектрик - полупроводник. Условное обозначение МДП – транзистора с каналом n-типа показано на рис. 2.21 – д. Можно создать полевой транзистор с изолированным затвором и каналом р-типа. Условное обозначение его – рис. 2.21 – г.

д) биполярный транзистор - это монокристалл полупроводника, состоящий из трех областей с чередующимися типами проводимости p-n-p или n-p-n. К крайним областям, называемым коллектором (К) и эмиттером (Э), присоединяется источник постоянного тока (рис. 2.22). Для транзистора n-p-n структуры с коллектором соединяется положительный, а с эмиттером - отрицательный полюс внешней батареи. Однако тока в цепи Э – К не будет, так как основные носители в базе (дырки) не могут двигаться к положительному полюсу коллекторной батареи, а основные носители в коллекторе (электроны) – к отрицательному полюсу батареи. Т. е. коллекторный переход заперт для основных носителей тока и все напряжение коллекторной батареи приложено к верхнему переходу. Ток в цепи Э – К потечет, если в базе появится достаточное количество неосновных носителей (электронов), для которых правый переход открыт. Осуществить инжекцию (впрыскивание, эмиссию) электронов в область базы можно, подав на нее положительное напряжение (относительно эмиттера). При этом открывается левый переход и начинается переход электронов из эмиттера в базу. Здесь для них возможен два исхода. Первый: электрон приблизился к дырке, и они рекомбинируют. При этом появляется рекомбинационный ток базы, протекающий в цепи эмиттер – база – внешняя батарея. Если толщина базы мала, то реализуется второй исход: большая часть диффундирующих электронной, не успев рекомбинировать с дырками, пройдет к правому коллекторному переходу. Здесь они будут захвачены полем коллекторного р – n-перехода, которое для электронов является ускоряющим и перейдут в правую n – область. В результате появится коллекторный ток в цепи эмиттер – база - коллектор – внешняя батарея.

Проходная характеристика и условные обозначения биполярных транзисторов показаны на рис. 2.22.

е) Фототранзистор по сравнению с фотодиодом обладает значительно большей чувствительностью, достигающей единиц мА/лк, так как в нем одновременно с генерацией происходит и внутреннее усиление фототока.

Фототранзистор можно получить, добавив к фотодиоду еще один p – n-переход. В результате получится структура эмиттер-база-коллектор. При облучении светом области базы в ней генерируется пары электрон-дырка. Электроны, диффундируя, достигают коллекторного перехода и, попадая в его ускоряющее поле, перебрасываются в область коллектора. Создаваемый при этом фототок базы I_бф равен фототоку диода. Положительно заряженные дырки не могут преодолеть отталкивающее действие поля коллекторного перехода и накапливаются в области базы. Это эквивалентно возникновению отпирающего эмиттерный переход напряжения U_бэ. В результате снижения потенциального барьера нижнего перехода электроны из области эмиттера диффундируют в базу, а затем перебрасываются в коллектор. В результате ток коллектора I_к »I_э становится в сотни - тысячи раз больше фототока I_бф. Происходит внутреннее усиление фототока.

ж) Оптрон Оптроном или оптопарой, называется полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена практически идеальная гальваническая развязка (электрическая изоляция). В качестве излучателей в оптронах обычно применяются светодиоды, работающие в инфракрасной области спектра (для повышения КПД). Для разных фотоприемных элементов различают резисторные, диодные и транзисторные оптроны.

При подаче напряжения на входные (светодиодные) зажимы оптрона происходит изменение сопротивления между выходными зажимами. Это позволяет преобразовать входной сигнал в выходной с полным гальваническим разделением цепей. Оптроны применяются для преобразования как аналоговых сигналов с сохранением линейной зависимости между входным током и выходным сопротивлением, током или напряжением, так и импульсных (цифровых) сигналов. Коэффициент преобразования и быстродействие оптрона в основном определяются типом фотоприемного элемента. Так, диодные оптопары могут передавать сигналы с частотой до 10 МГц, а транзисторные только до 30 кГц. В тоже время транзисторные оптопары имеют коэффициенты передачи на один-два порядка больше диодных.

з) Интегральные микросхемы (ИМС) - это полупроводниковые изделия, состоящие из активных и пассивных элементов и соединительных проводников, которые изготавливаются в едином технологическом процессе в объеме и на поверхности полупроводникового материала. Все элементы ИМС объединяются в единое функциональное устройство и герметизируются в стандартном корпусе с необходимым числом выводов. Сложность ИМС принято характеризовать степенью интеграции, определяющей количество элементов N в микросхеме: при N£100 говорят об ИМС первой и второй степени интеграции (малая ИС), при 10²<N£10³ – третьей степени интеграции (средняя ИС), при 10³<N£10⁴ – четвертой степени (большая ИС – БИС), микросхемы пятой и более высоких степеней называют сверхбольшими ИС – СБИС.

По технологии изготовления ИМС подразделяются на плёночные, полупроводниковые и гибридные. В первом случае пассивные и активные элементы выполняются в виде чередующихся пленок по­лупроводников, диэлектриков и проводников. Например, три чере­дующиеся пленки п – р – п образуют транзистор, пленка провод­ника с заданным удельным сопротивлением – резистор и т. д. Во втором случае элементы создаются в приповерхностном слое полу­проводникового кристалла с использованием процессов осаждения, ионной имплантации (обстрел пучков ионов), избирательного вы­травливания или окисления отдельных участков (фотолитография через трафарет). На рисунке 2.25 приведен фрагмент сечения ИМС с МДП и биполярными транзисторами, выполненного по полупро­водниковой технологии. Видно, что биполярные структуры сложнее в изготовлении и занимают больше места (каждый биполярный транзистор необходимо изолировать от общей структуры, в то время как МДП-транзистор самоизолируется смещенным р – n -пере­ходом). Поэтому ИМС с МДП структурами позволяют достичь на порядок большую плотность размещения элементов при втрое меньшем числе технологических операций.

В гибридных ИМС одновременно используется несколько различных технологий. Примером гибридной ИМС может служит интегральный усилитель с оптоэлектронными цепями управления. При этом усилитель выполняется на подложке из германия и кремния, а светоизлучающий элемент– на арсениде галлия. С момента появления первых микросхем (начало 60-х гг.) благодаря усилиям физиков и технологов, направленных на разработку усовершенствованных технологических процессов, ежегодно обеспечивалось удвоение числа активных элементов на одном кристалле при одновременном снижении стоимости одного элемента. Этот процесс иллюстрируется диаграммой, представленной на рисунке 2.26.

Создание ИМС позволило решить две главные задачи, стоявшие перед разработчиками систем микроэлектроники и ЭВТ: повышение надежности и снижение стоимости создаваемых устройств. В самом деле простейший микрокалькулятор собран на ИМС, содержащей около 10000 элементов. Если бы его собрали на транзисторах, то при среднем времени безотказной работы одного транзистора 10⁶ ч. (100 лет) интенсивность отказов микрокалькулятора была бы 10000 раз выше, т. е. один отказ в неделю. Интегральная микросхема имеет примерно такое же время безотказной работы, как одиночный транзистор, и является самым надежным элементом микрокалькулятора (отказы МК чаще всего вызываются неисправностями индикаторов, клавиш и схем питания).

Высокая стоимость сложных электронных комплексов обработки информации ограничивает область их применения. Так, в основном по этой причине они до сих пор не находили широкого применения в системе народного образования. С появлением ИМС положение начинает меняться. Микроэлектронные схемы при массовом производстве значительно дешевле эквивалентных им устройств, собранных на дискретных элементах. Разница в себестоимости составляет от 10 до десятков тысяч раз (чем сложнее устройство, тем оно выгоднее). Такая высокая экономичность обусловлена групповым технологическим процессом, когда на одной установке одновременно производится до 10000 отдельных микросхем, а каждая МС содержит до 10000 отдельных элементов. Третья проблема, которую помогает разрешить микроэлектроника, – это уменьшение размеров и массы, а также связанные с ними уменьшение энергопотребления и повышение быстродей­ствия ЭВМ. Интересно сравнить цифры о плотности монтажа в раз­личных схемах: ламповые – один элемент в 10–100 см³, транзисторные – один элемент в 1 см³, интегральные – до сотен тыс. элементов в 1 см³. Разработка и производство микросхем опре­деленного типа становятся выгодными только при их массовом выпуске. Как показывает практика, увеличение производства опре­деленного типа ИМС в 100 раз приводит к снижению их стои­мости в 10 раз с одновременным существенным повышением ка­чества. Поэтому номенклатура микросхем ограничена и определяет­ся отраслевыми стандартами. Стандарты определяют функциональ­ные типы микросхем, основные параметры, напряжение питания, типы и размеры корпусов. Подавляющее большинство микросхем выпускается в виде серий. Микросхемы, входящие в одну серию, как, правило, выполнены по единой технологии, имеют одинаковые напряжение питания и рабочие параметры, единое конструктивное испол­нение.