Основы разработки электронных устройств

1.1 Развитие и основы полупроводниковой электроники

Люди всегда интересовались окружающим миром и проводили различные исследования. Так однажды установили, что есть тела, которые проводят электрический ток, сегодня, мы называем эти тела проводниками, а есть тела, которые его не проводят, такие тела назвали диэлектриками. С развитием науки установили, что носителями электрического тока в материалах являются электроны.

Позже заметили, что среди материалов встречаются те, которые проводят электрический ток, но только если его достаточно много. Такие материалы назвали полупроводниками. Если у проводников и диэлектриков были очевидные применения, то у полупроводников в таком виде нет.

Время шло, развивались технологии, и изобрели процесс легирования. Это внедрение молекул одного вещества в молекулы другого.

Люди стали легировать полупроводники различными материалами и в итоге установили, что их имеет смысл легировать мышьяком, фосфором, сурьмой, галлием, индием.

Легированные полупроводники назвали собственными полупроводниками.

С накоплением знаний о материалах и поведении в них носителей электрического заряда – электронов (отрицательно заряженных частиц, являющихся носителями электрического заряда), человечество сформировало зонную теорию или теорию зон. Установили, что в материалах есть энергетические уровни. Соответственно, зонная теория описывает распределение электронов по энергетическим уровням и объясняет, как их распределение влияет на электрические свойства материалов.

Во всех материалах выделяют три зоны: валентную зону, запрещенную зону и зону проводимости.

Чтобы передать через материал электрический заряд, необходимо переместить электроны из валентной зоны в зону проводимости.

Зона валентная – зона, в которой находятся электроны, на которые можно воздействовать, для передачи электрического тока.

Запрещенная зона – это область, в которой электроны не могут находиться, некий зазор, который необходимо преодолеть электрону, чтобы достигнуть зоны проводимости.

Зона проводимости – зона, в которую электроны могут перейти, получив достаточное количество энергии для перехода.

Необходимое количество энергии определяется шириной запрещенной зоны материала. В зависимости от ее величины материалы и подразделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики, так в проводниках запрещенная зона либо очень маленькая, либо отсутствует, тогда валентная зона и зона проводимости соприкасаются.

В полупроводниках запрещенная зона может варьироваться в пределах 3—4 эВ, то есть необходимо приложить к электрону энергию равную 3 эВ, чтобы он переместился из валентной зоны в зону проводимости.

В диэлектриках запрещенная зона достигает от 5 эВ. Если приложить электрону энергию равную 5 эВ, то он так же переместился из валентной зоны в зону проводимости, но приложить такой уровень энергии практически невозможно, поэтому материалы с такой шириной запрещенной зоны причисляют к диэлектрикам.

Структура материалов в зонной теории представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схемы зонной теории: (а) проводники; (б) собственные полупроводники; (в) диэлектрики

При легировании мышьяком, фосфором или сурьмой в полупроводнике начинали преобладать в большем количестве электроны. Собственные полупроводники, в которых преобладают электроны, назвали собственными полупроводниками n-типа. Запомнить достаточно легко, n – от «negative», а электрон, как раз и имеет отрицательный заряд. Таким образом, много электронов – много негативных зарядов, значит собственный полупроводник n-типа

При легировании полупроводников галлием или индием в материале возникает нехватка электронов. Нехватку электрона в физике назвали дыркой. Для моделирования физических процессов, дырки считают такими же носителями заряда, как и электроны. Так как электрон отсутствует, то в этом месте отрицательный электрический заряд так же отсутствует, поэтому дырка имеет положительный заряд, а собственные полупроводники легированные галлием или индием назвали собственными полупроводниками p-типа, где p – от «positive» (положительный заряд).

После открытия собственных полупроводников n-типа и

p-типа было решено их соединить, а с развитием технологий это стало возможным. То есть стало возможным соединить два типа полупроводимости.

Контакт двух типов полупроводимости назвали p-n переходом, и оказалось, что такую структуру можно успешно использовать для создания электронных устройств. P-n переход в одну сторону пропускает электрический ток, в другую не пропускает. Такую структуру стали изготавливать, как самостоятельный полупроводниковый прибор и назвали полупроводниковым диодом.

Вывод полупроводникового диода со стороны структуры p-типа назвали анодом, вывод со стороны n-типа назвали катодом. «Анод» – с древнегреческого переводится, как «движение вверх», так и электрический ток движется от анода к катоду.

Когда на него поступает напряжение, электроны из n-слоя переходят в p-слои, а дырки в противоположном направлении, в n- слои. Дырка – это нехватка электрона, то есть место в материале, где отсутствует электрон. Так как электрон отсутствует, дырка имеет положительный заряд. Для удобства описания физических процессов нехватка электронов была названа частицей, носителем зарядом – дыркой, хотя в реальности такого носителя заряда не существует.

Такой процесс называется рекомбинацией. Для изготовления полупроводниковых диодов используют такие материалы, как кремний или германий.

Полупроводниковая структура диода представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Полупроводниковая структура диода

Для изготовления любого электронного устройства сначала необходимо разработать электрическую принципиальную схему. Из такой схемы будет понятно, какие необходимы радиоэлектронные компоненты, и как их необходимо соединить. Чтобы схема была понятна специалистами на разных предприятиях, в разных городах и странах, для каждого радиоэлектронного прибора существует свое условно-графическое обозначение (УГО).

Приборов существует огромное количество, их намного больше, чем упоминается в этой книге и у каждого из них есть своё УГО. Кроме того, каждый элемент УГО регламентируется по длине линии, в связи с чем они имеют определенные стандартизированные размеры. Для того, чтобы узнать какой прибор изображен на схеме, или чтобы узнать, как правильно начертить используемый прибор необходимо использовать соответствующий ГОСТ, а именно ГОСТ 2.721—74 «Единая система конструкторской документации. Условные графические изображения приборов и средств автоматики на электрических схемах». ГОСТ – это государственный стандарт, обеспечивают единые правила и требования для различных сфер деятельности, в том числе для обозначений приборов на схемах.

Условно-графическое обозначение полупроводникового диода представлено на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Условно-графическое обозначение полупроводникового диода

Схематичное изображение контакта двух типов полупроводимости и полупроводникового диода соответственно представлено на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Зонная теория полупроводникового диода

Следующим шагом было объединение двух полупроводниковых диодов в разных вариациях. Так получили структуры p-n-p и n-p-n. Такую структуру так же стали использовать в полупроводниковой электронике и назвали биполярным транзистором

p-n-p типа или n-p-n типа (представлено на рисунке 1.5)

Рисунок 1.5 – Структура двух типов биполярных транзисторов: pnp и npn.

У биполярного транзистора есть три области – эмиттер, база и коллектор.

Эмиттер – это область, из которой выходят носители заряда (например, электроны в n-переходах) в область базы. Он обычно сильно легирован, что обеспечивает высокую концентрацию носителей заряда.

База – это тонкий слой между эмиттером и коллектором. Она контролирует ток между этими двумя областями. Изменяя ток в базе, можно управлять током, протекающим от эмиттера к коллектору. База имеет малую ширину, что позволяет эффективно управлять проводимостью транзистора.

Коллектор – это область, в которую направляются носители заряда из базы. Он обычно имеет большую площадь по сравнению с эмиттером, что позволяет собирать электрический ток.

Эти три области биполярного транзистора работают совместно, чтобы транзистор мог выполнять свои функции.

Биполярные транзисторы находят широкое применение и на сегодняшний день, их используют для усилительных каскадов, электронных ключей, модуляторов, детекторов, логических инверторов и других микросхем на транзисторной логике.

УГО биполярного транзистора представлено на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – УГО биполярного транзистора: (а) pnp транзистор; (б) npn транзистор

УГО биполярного транзистора допустимо изображать в окружности, или без нее. На сегодняшний день чаще можно встретить УГО биполярного транзистора без окружности. Выводы полупроводниковых приборов на электрической принципиальной схеме не принято подписывать, но при этом на любой схеме допускается писать необходимую справочную информацию, которую разработчик считает важной. Правда подписывать анод, катод или базу, эмиттер, коллектор – всё таки никто не подписывает, такие простые записи могут продемонстрировать не профессионализм (хотя существуют САПР (системы автоматизированного проектирования), в которых эти обозначения присутствуют у транзисторов, как часть их УГО, ГОСТ это, соответственно, не нарушает и воспринимается нормально). Пишут, как правило, расчетные данные, характеристики или допустимые аналоги.

Следующим логическим решением было объединить полученные структуры, и такое объединение позволило получить такой полупроводниковый прибор, как тиристор. Тиристор – это полупроводниковый диод с дополнительным электродом для управления. Такой диод пропускает электрический ток в одном направлении, но только тогда, когда на управляющий электрод подается напряжение. Структура такого прибора представлена на рисунке 1.7

Рисунок 1.7 – Полупроводниковая структура тиристора

Так как тиристор образован на основе двух биполярных транзисторов, то функционально его можно собрать на их основе. Электрическая принципиальная схема представлена на рисунке 1.8

Рисунок 1.8 – Электрическая принципиальная схема тиристора

Так как такая сложная структура реализована под корпусом одного полупроводникового прибора, то используя тиристор и отображая его на схеме, необходимо использовать УГО представленное на рисунке 1.9

Рисунок 1.9 – УГО тиристора

С развитием технологии транзисторов, кроме биполярных транзисторы, появились и другие типы транзисторов. Такие, как полевые транзисторы, точечные транзисторы, плоскостные транзисторы, сплавные транзисторы, электрофохимические транзисторы, диффузионные меза-транзисторы, силовые транзисторы, эпитаксиальные транзисторы, многоэмиттерные транзисторы.

Эти типы развивались параллельно, совершенствуясь по характеристикам частоты, мощности, напряжения и технологии производства.

1.2 Основные радиоэлектронные приборы

Отдельно от описанного пути в подразделе 1.1 развивали такие основные приборы, как резистор, конденсатор и индуктивность.

Резистор – это прибор, который оказывает сопротивление электрическому току, уменьшая его на своём выходе. Поэтому основная характеристика резистора при его выборе – это электрическое сопротивление, которое измеряется в «омах», обозначаемых: «Ом».

Энергия не может просто пропасть, она всегда преобразовывается из одного вида в другой, поэтому физический принцип работы резистора заключается в том, что когда через него проходит электрический ток – он греется, тем самым переводя электрическую энергию в тепловую. На этом принципе основаны обогреватели. Поэтому второй важной характеристикой является мощность, если мощность резистора будет маленькой, а электрический ток через него будет проходит большой – резистор начнет сильно греться и в какой-то момент может сгореть. Если мощность будет достаточной, то нагрев резистора не будет ощущаться, резистор, не смотря на то, что переводит электрическую энергию в тепловую будет оставаться холодным, к чему и следует стремиться. Мощность измеряется в ватах, обозначаемых: «Вт». От нее зависит типоразмер резистора (его физический размер).

Третьей важной характеристикой резистора является его точность. Изготовить серию электронных компонентов с одинаковой характеристикой не возможно, всегда будет некоторое отклонение. Если его реальное сопротивление отклоняется от номинального (указанного) на 1%, то его точность 1%. Например, если номинальное сопротивление резистора 1000 Ом, а его точность 1%, то сопротивление такого резистора может находиться в диапазоне от 990 до 1010 Ом. Резисторы с точностью 1% считаются очень точными, цена на такие резисторы выше, чем на другие. В схемах обычно используют резисторы с точностью 5%.

В качестве первого резистора в 1844 году Жан-Шарль-Атанас Поль предложил использовать провод из определенных материалов для создания заданного сопротивления. В 1850 годах Иоганн Георг Мах изобрел новый концепт: наматывать провод на керамическое основание. Еще через десять лет появились угольные резисторы, которые уже имели более высокие значения сопротивления. Значительно позже изобрели пленочные, металлопленочные резисторы, которые уже были более точными и стабильными.

Бывают резисторы, которые меняют своё сопротивление под воздействием температуры, они являются полупроводниковыми и называются терморезисторами.

Бывают резисторы, которые меняют своё сопротивление под воздействием солнечного света, это тоже полупроводниковые приборы и называются они фоторезисторами.

Практически в любом полупроводниковом устройстве на основе транзисторов и других элементов можно встретить резистор, но обычный, не являющийся полупроводниковым.

Условно-графическое обозначение резистора представлено на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – УГО резистора

Первые резисторы были похожи на вытянутые бочонки с проволоками с двух сторон. Такой резистор впаивается в плату ножками или припаивается к проводам, поэтому называется резистором с гибкими выводами для навесного монтажа.

Такие резисторы используются и сейчас, но уже появились и более компактные варианты для изготовления электронных модулей на печатных платах. Именно по форме резистора с гибкими выводами и можно запомнить, как выглядит УГО. Вытянутый корпус и два вывода.

У резистора нет плюса или минуса, такой прибор называется не полярным и его можно подключать любой стороной.

Конденсатор – это прибор, который накапливает электрический заряд.

Первый конденсатор был изобретен в середине 17 века и представлял из себя лейденскую банку. Такая банка была стеклянной и наполненной водой, которая служила внутренним электродом. В банку погружался металлический стержень или проводник, обычно из меди, который был подключен к электростатической машине. Внешнюю поверхность банка в самом простом варианте было достаточно обхватить ладонью, что обеспечивало внешний электрод.