электрическом поле

Рисунок В.1 – Движение электрона в однородном поперечном

электрическом поле

 

направ­лении, перпендикулярном υ₀. Результи­рующее движение происходит по пара­боле, причем электрон отклоняется в сторону большего потенциала. Ес­ли электрон выйдет за пределы поля, как показано на рисунке В.1, то дальше он будет двигаться по инерции прямоли­нейно и равномерно.

Электрическое поле всегда изменяет в ту или другую сторону энергию и скорость электрона. Таким образом, между электроном и электрическим по­лем всегда имеется энергетическое взаи­модействие, т. е. обмен энергией.

На движущийся электрон в однородном магнитном поле действует сила Лоренца, которая перпендикулярна вектору скорости υ₀ и вектору магнитной индукции В (F =е υ₀ В). При υ₀ = 0 сила F равна нулю, т. е. на неподвижный электрон магнитное поле не действует.

Сила F искривляет траекторию элек­трона в дугу окружности (рисунок В.2). Радиус г окружности, описываемой электроном г = mυ₀ /(еВ).

 

 

 

 

Рисунок В.2 – Движение электрона в однородном магнитном поле

Поскольку сила F действует под прямым углом к скорости υ₀, она не совершает работы. Энергия электрона и его скорость не изменяются, а изменяется лишь направление скорости.

Выйдя за пределы магнитного поля, электрон дальше летит по инер­ции прямолинейно. Если же радиус траектории мал, то электрон может описывать в магнитном поле замкнутые окружности.

Если электрон влетает в магнитное поле под любым углом, то результирующее движение электрона происходит по винтовой линии (часто говорят «по спирали»).

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника на электровакуумных приборах и полупроводниках, интегральная электроника микросхем, больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС), микропроцессоров, микроконтроллеров, функциональная электроника.

Элементная база первого поколения (20 – 50 г.г. 20 века), была построена с использованием электровакуумных ламп, дискретных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), проводных электрических связей. Сложность технологии электровакуумных приборов, небольшой срок службы, значительные габаритные размеры и масса, большое потребление электроэнергии послужили стимулом к появлению второго поколения электроники.

Ко второму поколению (50 – 60 г.г.) относят конструкции РЭС на полупроводниковых приборах, которые по сравнению с электровакуумными приборами имеют меньшие габаритные размеры и массу потребляемую энергию, больший КПД, срок службы и надежность, меньшую стоимость.

Действие почти всех полупроводниковых приборов основано на использовании свойств р – n перехода, представляющего собой границу полупроводников с электропроводностью р – и n – типа в монокристалле. В полупроводниковых приборах используют выпрямительные свойства р – n перехода (выпрямительные диоды низко- и высокочастотные, а также силовые диоды), его управляемую напряжением емкость (варикапы, параметри­ческие диоды), явление пробоя (стабилитроны), отрицательное сопротивление р – n переходов с высокой концентрацией примеси (туннельные диоды).

Основным полупроводниковым прибором следует считать транзистор, обладающий усилительными свойствами. Появление транзистора в конце сороковых – начале пятидесятых годов послужило толчком к стремительному развитию полупроводниковой электроники. Промышленностью выпускаются преимущественно биполярные и полевые транзисторы. Биполярный транзистор содержит два близко (на расстоянии около 1 мкм и менее) расположенных друг к другу р – n перехода, сопротивление одного из которых (коллекторного) зависит от прямого тока, протекающего через другой (эмиттерный). Работа полевых транзисто­ров основана на изменении сопротивления тонкого приповерхностного слоя полупроводника (канала) под действием электрического поля (напряжения), подаваемого на изолированный от канала (р – n переходом или диэлектриком) элект­род (затвор). Промышленность выпускает транзисторы, предназначен­ные для работы в широком диапазоне напряжений, токов и частот, в том числе в микроминиатюрном исполнении (бескорпусные). Выпускаются также приборы, содержащие три р – n перехода – тиристоры, эквивалент­ные по свойствам электрически управляемым ключам и используемые главным образом в устройствах автоматики.

К третьему поколению (60 –70 г.г.) относят конструкции на печатных платах (ПП) и интегральных микросхемах (ИМС) малой степени интеграции. Технология изготовления аппаратуры на микросхемах упрощается, т.к. уменьшается общее число деталей и соединений между ними. Благодаря этому увеличивается надежность аппаратуры, уменьшаются ее габаритные размеры и масса.

Появление ИМС сыграло решающую роль в развитии электроники, положив начало новому этапу – микроэлектроники.

Полупроводниковая интегральная микросхема представляет собой множество полупроводниковых приборов (транзисторов, диодов) и других радио компонентов (резисторов, конденсаторов), изготовленных на небольшом кристалле полупроводника прямоугольной формы и соединенных друг с другом тонкопленочными металлическими проводниками. Получаемая сложная электрическая схе­ма выполняет определенную функцию преобразования и обработки сигнала. Микросхему герметизируют в корпусе, имеющем внешние выводы.

Выпускаются интегральные микросхемы, предназначенные для обработки как аналоговых, т.е. плавно изменяющихся сигналов, так и цифровых сигналов, т.е. последовательностей импульсов определенной амплитуды, представляющих данные в виде чисел.

Аналоговые микросхемы применяют в измерительных устройствах, системах автоматического регулирования. К универсальным элементам аналоговой электроники относится операционный усилитель, позволяю­щий строить на его основе различные устройства — усилитель, генератор сигналов синусоидальной или другой формы, интегратор, дифференциа­тор, сумматор и множество других.

На цифровых интегральных микросхемах выполнены устройства и системы обработки больших потоков цифровой информации – системы автоматического регулирования, ЭВМ большой и малой производительности, а также микро – ЭВМ, предназначенные, как правило, для узкого применения. Почти все современное технологическое оборудование, в том числе оборудование полупроводникового и электровакуумного производства, оснащено встроенными автоматизированными системами управления технологическим процессом на основе микро – ЭВМ.

В конструкции РЭА четвертого поколения (70 – 80г.г.) применены большие интегральные схемы (БИС), многослойные ПП, гибкие печатные шлейфы, микрополосковые линии.

В конструкции РЭА пятого поколения (80 – 90 г.г. по настоящее время) широкое применение нашли: чип ЭРЭ, приборы с переносом заряда, микропроцессоры и микроконтроллеры, а также такая область электроники, как функциональная микроэлектроника.

Основными тенденциями в современном производстве РЭА являются: уменьшение потребляемой мощности, повышение надежности и срока службы, упрощение технологии.

В последнее время все более эффективно внедряется микропроцессорная и микроконтроллерная техника. Это позволило создать, например, телевизоры с цифровой обработкой сигналов, что в значительной мере повысило качество изображения; миниатюрные сотовые телефоны, электронные записные книжки, переносные электронные игры и прочее.

Основными технологическими направлениями развития электроники и микроэлектроники являются:

- миниатюризация;

- повышение качества продукции;

- механизация и автоматизация производства;

- создание новых технологий, позволяющих упростить технологические процессы, сократить время изготовления, повысить качество, уменьшить отходы производства, а также уменьшить выбросы вредных веществ в окружающую среду.

Целью изучения дисциплины «Основы электроники и микроэлектроники» является формирование знаний по полупроводниковой элементной базе и основам электронной схемотехники современных РЭС, а также навыков экспериментальных исследований полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и электронных устройств.

Успешное освоение учебного материала базируется на знаниях физики, химии, теоретических основ электротехники, материаловедения.

В результате изучения дисциплины учащиеся должны знать на уровне представления:

– новые разработки структур электронных приборов и интегральных микросхем;

– особенности использования электронных приборов и интегральных микросхем;

– основные тенденции развития и современные достижения методов проектирования интегральных микросхем.

знать на уровне понимания:

– устройство, принцип действия, характеристики, области применения интегральных микросхем, полупроводниковых, фотоэлектронных и оптоэлектронных приборов;

– принципы построения типовых электронных схем, применяемых в телемеханике, автоматике и вычислительной технике;

– технологические методы, средства изготовления и особенности организации производства электронных приборов.

уметь:

– осуществлять расчет и конструирование полупроводниковых приборов и базовых электронных схем;

– собирать схемы и выполнять эксперименты по исследованию полупроводниковых приборов и устройств;

– осуществлять анализ работы базовых электронных схем.

Вопросы для самоконтроля:

 

1. Дайте определение электронике, как науке.

2. Что изучает электроника?

3. Как взаимодействует электрон с электромагнитными полями?

4. Охарактеризуйте этапы развития электроники.

5. Какой прибор является основным полупроводниковым прибором и на чем основана его работа?

6. Что собой представляет полупроводниковая интегральная микросхема?

7. Перечислите основные тенденции в современном производстве РЭА.

8. Каковы основные технологические направления развития электроники и микроэлектроники?

9. Какова цель изучения дисциплины?

10. Что должен знать учащийся на уровне представления, понимания?

11. Что должен уметь учащийся в результате изучения дисциплины?