Общие положения (понятия)

ЭРЭ– электронный радиоэлемент.

Дискретный ЭРЭ– электронный радиоэлемент выполненный по самостоятельной технологии в отдельном корпусе.

Функциональный узел – законченная электрическая схема, готовая к выполнению тех или иных электрических преобразований.

Плотность упаковки- число ЭРЭ в единице объема схемы.

Традиционная задача электроники– миниатюризация электронной схемы.

Опыт показал, что максимальная плотность упаковки электронных схем на дискретных ЭРЭ составляет два элемента на см³, остальной объем занимает монтаж, соединительные провода, защитный корпус и т.д.

Интегральная технология– это технология изготовления законченных функциональных узлов в объеме одного кристалла.

Микросхемы изготовленные по этой технологии называется интегральной микросхемой.

По технологии изготовления различают:

1. Полупроводниковые ИМС, имеют активную подложку, т.е. активные элементы (транзисторы) теми или иными способами (диффузия под воздействием лазерного облучения) вносятся в подложку соединения, осуществляют по поверхности сигнала с помощью напыления проводящих дорожек. Изготовленный таким образом функциональный узел помещают в общий защитный корпус.

2. Гибридные ИМС имеют пассивную диэлектрическую подложку, соединения наносятся напылением, активные элементы наслаиваются на поверхность кристалла.

По числу элементов в микросхеме (степень интеграции) различают:

1. Малые ИМС (от 10 до 100 активных элементов)

2. Средние ИМС (от 100 до 1000 активных элементов)

3. Большие ИМС (от 1000 до 100000 активных элементов)

Чем выше степень интеграции, тем выше быстродействие и надежность схемы, но тем сложнее и дороже ее изготовление, поэтому серийное изготовление БИС требует разработки универсальных функциональных узлов, таковым например является микропроцессор.

Микропроцессор– это центральный процессор ЭВМ, изготовленный по интегральной технологии, он имеет сходную структуру при различных модификациях ЭВМ.

По характеру выполняемых операций различают:

1. Цифровые ИМС – выполняют логические и арифметические операции.

2. Аналоговые ИМС осуществляют обработку аналоговых сигналов.

Цифровые ИМС используются для работы в информационных маломощных устройствах. Обработка и хранение информации осуществляется в дискретной форме, т.е. элементы этих устройств имеют два возможных устойчивых состояния.

64. Аналоговые интегральные схемы. Операционные усилители.

Аналоговые интегральные схемы имеют ряд особенностей и отличий от аналоговых преобразователей сигнала, выполненных на дискретных элементах.

Особенности:

1. Трудность согласования в усилительных каскадах. Реализация конденсаторов большой ёмкости в интегральных микросхемах невозможна. Кроме того при усилении постоянного тока конденсатор вообще использовать нельзя.

2. Трудность задания стабилизации режима покоя. В интегральных усилителях эта проблема решается с использованием параметрических методов стабилизации покоя (источника тока).

3. Дрейф нуля в усилителях.

Ноль на выходе интегрального усилителя, устанавливаемый схемотехническими способами зависит от стабильности параметров элементов, составляющих усилитель.

Различают:

1. Температурный дрейф нуля.

2. Технологический

3. Временной

64. Цифровые интегральные схемы. Различные технологии ЦИС.

64. Гибридные интегральные схемы. Технология изготовления элементов.

Широкое распространение получили гибридные ИС – интегральные схемы, в которых применяются плёночные пассивные элементы и навесные элементы (резисторы, конденсаторы, диоды, оптроны, транзисторы), называемые компонентами ГИС. Электрические связи между элементами и компонентами осуществляются с помощью плёночного или проволочного монтажа. Реализация функциональных элементов в виде ГИС экономически целесообразна при выпуске малыми сериями специализированных вычислительных устройств и другой аппаратуры. Высоких требований к точности элементов в ТЗ нет. Условия эксплуатации изделия нормальные. Навесными элементами в микроэлектронике называют миниатюрные, обычно бескорпусные диоды и транзисторы, представляющие собой самостоятельные элементы. Иногда в гибридных ИС навесными могут быть и некоторые пассивные элементы, например, миниатюрные конденсаторы с такой большой емкостью, что их невозможно осуществить в виде пленок. Это могут быть и миниатюрные трансформаторы. В некоторых случаях в гибридных ИС навесными являются целые полупроводниковые ИС. Проводнички от транзистора или от других навесных элементов присоединяются к соответствующим точкам схемы чаше всего методом термокомпрессии (провод при высокой температуре прижимается под большим давлением).

Гибридные ИС изготовляются следующим образом. Сначала делается подложка. Ее тщательно шлифуют и полируют. Затем наносятся резистивные пленки, далее нижние обкладки конденсаторов, катушки и соединительные линии, после этого диэлектрические пленки, а затем снова металлические. Навешиваются («приклеиваются») активные и другие дискретные элементы, и их выводы присоединяются к соответствующим точкам схемы. Схема помещается в корпус и присоединяется к контактным штырькам корпуса. Производится испытание схемы. Далее корпус герметизируется и маркируется, т, е. на нем делаются необходимые условные обозначения.

Разновидность гибридных ИС – так называемые микросборки. Обычно в их составе различные элементы, компоненты и интегральные схемы. Особенность микросборок состоит в том, что они являются изделиями частного применения, т. е. изготовляются для конкретного типа аппаратуры. А обычные ГИС представляют собой изделия общего применения, пригодные для различных видов аппаратуры. Иногда микросборками также называют наборы нескольких активных или пассивных элементов, находящихся в одном корпусе и имеющих самостоятельные выводы. Иначе эти наборы еще называют матрицами.

64. Микропроцессоры. Основные сведения. Перспективы развития.

Основные понятия

Микропроцессор - это программно управляемое устройство предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессами этой обработки, выполненной в виде одной или нескольких интегральных схем с высокой степенью интеграции электронных компонентов.

. Микропроцессор МПС выполняет две функции:

1 - служит центральным устройством управления

2 - выполняет арифметико - логическое преобразование данных.

микропроцессор. Это универсальное логическое устройство, которое оперирует с двоичными числами, осуществляя простейшие логические и математические операции, и не просто как придется, а в соответствии с программой, т.е. в заданной последовательности. Для хранения этой заданной последовательности служат запоминающие устройства – ЗУ. ЗУ бывают постоянными – ПЗУ, в которых информация хранится, не изменяясь сколь угодно долго, и оперативными – ОЗУ, информация в которых может быть изменена в любой момент в соответствии с результатами ее обработки.

МП состоит из набора регистров памяти различного назначения, которые определенным образом связаны между собой и обрабатываются в соответствии с некоторой системой правил

Основные хаpактеpистики микpопpоцессоpа.

1. Тип микpопpоцессоpа.

Тип установленного в компьютеpе микpопpоцессоpа является главным фактоpом, опpеделяющим облик ПК. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютеpа. В зависимости от типа используемого микpо­пpоцессоpа и опpеделенных им аpхитектуpных особенностей компьютеpа pазличают пять классов ПК:

1. Компьютеpы класса XT;

2. Компьютеpы класса AT;

3. Компьютеpы класса 386;

4. Компьютеpы класса 486;

5. Компьютеpы класса Pentium.

2. Тактовая частота микpопpоцессоpа.

Импульсы тактовой частоты поступают от задающего генеpатоpа, pасположенного на системной плате.

Тактовая частота микpопpоцессоpа - количество импульсов, создаваемых генеpатоpом за 1 секунду.

Тактовая частота необходима для синхpонизации pаботы устpойств ПК.

Влияет на скоpость pаботы микpопpоцессоpа. Чем выше тактовая частота, тем выше его быстpодействие.

3. Быстpодействие микpопpоцессоpа.

Быстpодействие микpопpоцессоpа - это число элементаpных опеpаций, выполняемых микpопpоцессоpом в единицу вpемени (опеpации/секунда).

4. Разpядность пpоцессоpа.

Разpядность пpоцессоpа - максимальное количество pазpядов двоичного кода, котоpые могут обpабатываться или пеpедаваться одновpеменно.

5. Функциональное назначение микpопpоцессоpа.

1. Унивеpсальные, т.е. основные микpопpоцессоpы.

Они аппаpатно могут выполнять только аpифметические опеpации и только над целыми числами, а числа с плавающей точкой обpа­батываются на них пpогpаммно.

64. Транзисторы. Классификация. Технология изготовления.

Классификация транзисторов по их назначению, физиче­ским свойствам, основным электрическим параметрам, кон­структивно-технологическим признакам, роду исходного полу­проводникового материала находит свое отражение в системе условных обозначений их типов. В соответствии с появлением новых классификационных групп транзисторов совершенству­ется и система их условных обозначений.

Система обозначений современных типов транзисторов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919—81 и ба­зируется на ряде классификационных признаков. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор. Для обозначения исходного материала используются следующие символы:

Г или 1 — для германия или его соединений;

К или 2 — для кремния или его соединений;

А или 3 — для соединений галлия (практически для арсенида галлия, используемого для создания полевых транзисто­ров);

И или 4 — для соединений индия (эти соединения для производства транзисторов в качестве исходного материала пока не применяются).

Второй элемент обозначения — буква, определяющая под­класс (или группу) транзисторов. Для обозначения подклассов используется одна из двух букв: Т — для биполярных и П — для полевых транзисторов.

Третий элемент — цифра, определяющая основные функ­циональные возможности транзистора (допустимое значение рассеиваемой мощности и граничную либо максимальную ра­бочую частоту).

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков транзисторов применяются следующие цифры.

Для транзисторов малой мощности (максимальная мощ­ность, рассеиваемая транзистором, не более 0,3 Вт):

1 — с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой (далее граничной часто­той) не более 3 МГц;

2 — с граничной частотой более 3, но не более 30 МГц;

3 — с граничной частотой более 30 МГц.

Для транзисторов средней мощности (максимальная мощ­ность, рассеиваемая транзистором, более 0,3, но не более 1,5 Вт):

4 — с граничной частотой не более 3 МГц;

5 — с граничной частотой более 3, но не более 30 МГц;

6 — с граничной частотой более 30 МГц. Для транзисторов большей мощности (максимальная мощ­ность, рассеиваемая транзистором, более 1,5 Вт):

7 — страничной частотой не более 3 МГц;

8 — с граничной частотой более 3, но не более 30 МГц;

9 — с граничной частотой более 30 МГц.

Четвертый элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа транзисторов. Для обозначения порядкового номера используют двузначные чис­ла от 01 до 99. Если порядковый номер разработки превысит число 99, то применяют трехзначные числа от 101 до 999.

Пятый элемент — буква, условно определяющая класси­фикацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единичной технологии. В качестве классификационной литеры при­меняют буквы русского алфавита (за исключением 3, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ Э).

Стандарт предусматривает также введение в обозначение ряда дополнительных знаков при необходимости отметить от­дельные существенные конструктивно-технологические особен­ности приборов.

.В качестве дополнительных элементов обозначения ис­пользуют следующие символы:

цифра от 1 до 9 — для обозначения модернизаций тран­зисторов, приводящих к изменению его конструкции или элек­трических параметров;

буква С — для обозначения наборов в общем корпусе однотипных транзисторов (транзисторные сборки);

цифра, написанная через дефис,— для бескорпусных тран­зисторов.

Эти цифры соответствуют следующим модификациям конструктивного исполнения:

1 – с гибкими выводами без кристаллодержателя (подложки)

2 – с гибкими выводами на кристаллодержателе (подложке)

3 – с жесткими выводами без кристаллодержателя (подложки)

4 – с жесткими выводами на кристаллодержателе (подложке)

5 – с контактными площадками без кристаллодержателя (подложки) и без выводов (кристалл);

б – с контактными площадками' на кристаллодержателе (подложке), но без выводов (кристалл на подложке).

Таким образом, современная система обозначений позво­ляет по наименованию типа получить значительный объем ин­формации о свойствах транзистора.

Примеры обозначений некоторых транзисторов:

КТ604А — кремниевый биполярный, средней мощности, высокочастотный, номер разработки 04, группа А;

2Т920А — кремниевый биполярный, большой мощности, высокочастотный, номер разработки 20, группа А;

КТ937А—2 кремниевый биполярный, большой мощно­сти, высокочастотный, номер разработки 37, группа А, бес­корпусный, с гибкими выводами на кристаллодержателе;

2ПС202А-2 — набор маломощных кремниевых полевых транзисторов средней частоты, номер разработки 02, группа А, бескорпусный, с гибкими выводами на кристаллодержа­теле.

Для большинства транзисторов, включенных в настоящий Портал, использована система обозначений согласно ра­нее действовавшим ГОСТ 10862-64 и ГОСТ 10862-72, кото­рая в своей основе не отличается от описанной. Однако у биполярных транзисторов, разработанных до 1964 г. и выпус­каемых до настоящего времени, условные обозначения типа состоят из двух или трех элементов.

Первый элемент обозначения — буква П, характеризую­щая класс биполярных транзисторов, или две буквы МП для транзисторов в корпусе, герметизируемом способом холодной сварки.

Второй элемент — одно-, двух- или трехзначное число, которое определяет порядковый номер разработки и указыва­ет на подкласс транзистора по роду исходного полупроводни­кового материала, значениям допустимой рассеиваемой мощ­ности и граничной (или предельной) частоты:

от 1 до 99 – германиевые маломощные низкочастотные транзисторы;

от 101 до 199 – кремниевые маломощные низкочастотные транзисторы

от 201 до 299 – германиевые маломощные низкочастотные транзисторы;

от 301 до 399 - кремниевые мощные низкочастотные транзисторы;

от 401 до 499 — германиевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

от 501 до 599 — кремниевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

от 601 до 699 — германиевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы;

от 701 до 799 — кремниевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы.

Третий элемент обозначения (у некоторых типов он может отсутствовать) — буква, условно определяющая классифика­цию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Примеры обозначения некоторых транзисторов:

П213А — германиевый мощный низкочастотный, номер разработки 13, группа А;

П702А — кремниевый мощный высокочастотный, номер разработки 02, группа А.

Классификация транзисторов по функциональному назначению.

В настоящем разделе наряду с нашедшей отражение в системе условных обозначений типов транзисторов классифи­кацией приведена классификация биполярных транзисторов по частоте: низкочастотные (fгр. < 30 МГц); высокочастотные (30 МГц < /гр < 300 МГц); сверхвысокочастотные (fгр > 300 МГц).

Биполярные транзисторы в соответствии с основными об­ластями применения подразделяются на следующие группы:

усилительные (сверхчастотные, высоковольтные, высокочастот­ные линейные); генераторные (высокочастотные, сверхвысо­кочастотные, сверхвысокочастотные с согласующими цепями);

переключательные высоковольтные и импульсные высоковольт­ные).

По своему основному назначению полевые транзисторы делятся на усилительные, генераторные и переключательные. Каждая из перечисленных групп характеризуется специфичес­кой системой параметров и справочных зависимостей, отражающих особенности применения транзисторов в радиоектронной аппаратуре.

64. Основные свойства полупроводников. Зонная теория.

Полупроводники - это вещества, имеющие при комнатной температуре удельную электрическую проводимость в интервале от 10^-8 до 10⁶ Ом^-1 м^-1, которая в сильной степени зависит от вида и количества примеси и структуры вещества, а также от внешних условий: температуры, освещения, внешних электрических и магнитных полей, облучения. Электропроводность твердых тел в современной физике объясняется на основе зонной теории. На рис. I показаны упрощенные диаграммы энергетических зон собственного, акцепторного и донорного полупроводников.

Нижняя зона представляет собой валентную зону, которая у полупроводников так же, как и у диэлектриков, при температуре, равной абсолютному нулю, полностью заполнена электронами. Валентная зона и зона проводимости разделены энергетическим интервалом, так называемой запрещенной зоной, величина которой (Е) для полупроводников имеет значения до 2-3 эВ, для диэлектриков более 2-3 эВ (Металлы имеют или частично заполненную валентную зону, или полностью заполненную валентную зону, перекрывающуюся с зоной проводимости.)

Существование запрещенной зоны энергий можно объяснить, исходя из особенностей химической связи в полупроводниках. При ненарушенных связях в кристалле (нет химических примесей и структурных дефектов) все валентные электроны каждого атома (два S - электрона и два Р -электрона) участвуют в образовании ковалентных связей. В таком состоянии (температура абсолютного нуля и отсутствие внешних ионизирующих воздействий) кристалл является изолятором. Для создания подвижных электронов необходим разрыв некоторого количества связей. Это происходит при повышении температуры и под действием ионизирующих излучений. При разрыве каждой связи возникает один электрон проводимости и одно вакантное квантовое состояние электрона.

Рис. I. Энергетические зоны проводников:

а – собственного; б – акцепторного; в – донорного.

Наименьшее приращение энергии электрона при его переходе из связанного состояния в состояние проводимости (работа разрыва связи) есть ширина запрещенной зоны  Е.

При абсолютном нуле полупроводник не имеет свободных электронов в зоне проводимости и является изолятором. Однако с повышением температуры электроны получают тепловую энергию, которая для части электронов оказывается достаточной для преодоления запрещенной зоны и перехода их в зону проводимости. В результате полупроводник теряет свойства идеального изолятора, так как электрическое поле имеет возможность изменять состояние электронов, находящихся в зоне проводимости. Кроме того, вследствие образования вакантных уровней в валентной зоне, электроны этой зоны также могут изменять свою скорость под действием внешнего поля. Поведение электронов валентной зоны может быть представлено как движение положительно заряженных квазичастиц, получивших название "дырок".

Таким образом, полупроводники обладают двумя видами электропроводности: электронной, обусловленной движением свободных электронов в зоне проводимости, и дырочной, обусловленной движением дырок в валентной зоне.

Проводимость чистых полупроводников создается как электронами, так и дырками и называется собственной проводимостью. Уровень Ферми в собственных полупроводниках находится посередине запрещенной зоны.

Типичными представителями полупроводников являются химически чистые элементы IV группы таблицы Менделеева. В кристаллической решетке этих элементов (например, германия) каждый атом образует четыре парно-электронные (ковалентные) связи с соседними атомами.

Введение в полупроводники незначительного количества примесей

(  10^-4 %) приводит к значительному увеличению электропроводности полупроводника. Проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике, называется примесной.

Рассмотрим механизм примесной проводимости полупроводников.

При замещении атома германия атомом, имеющим три валентных электрона (I_n , B), одна валентная связь германия оказывается не заполненной электроном. Электрон одной из соседних заполненных связей может перейти в незаполненную связь. Причем этот переход требует гораздо меньшей энергии (E_a) по сравнению с энергией Е отрыва электрона от атома в идеальной решетке германия. По зонной теории введение трехвалентной примеси в решетку германия приводит к возникновению свободных уровней Е_а вблизи потолка валентной зоны (рис I б).

Уровни, способные захватывать валентные электроны, называются акцепторными. Часть валентных электронов покидает валентную зону и занимает эти уровни, оставляя после себя в валентной зоне дырки, которые являются основными носителями тока в подобного рода полупроводниках. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа.

Уровень Ферми в акцепторных полупроводниках располагается вблизи примесных уровней.

Если в кристалл германия ввести пятивалентный атом примеси (например, мышьяк), то пятый электрон мышьяка окажется слабо связанным с атомом. Для того чтобы оторвать его от атома и превратить в свободный носитель тока, требуется значительно меньшее количество энергии Eд, чем энергия Е высвобождения электрона из валентной связи. Согласно зонной теории (рис. i в), добавление пятивалентной примеси в чистый полупроводник IV группы приводит к возникновению в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости дополнительных уровней энергии е_д, с которых электроны могут переходить в зону проводимости.

Уровни, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными, а полупроводник с такого рода примесью называется полупроводникомn-типа (электронного типа проводимости). Уровень Ферми в донорных полупроводниках находится вблизи примесных уровней.

Зависимость проводимости полупроводника от температуры

При нагревании проводимость полупроводников резко возрастает. Температурная зависимость проводимости  собственного полупроводника определяется изменением концентрации n и подвижности электронов  _- и дырок  ₊ от температуры:

 = e ( n _-  _- + n ₊  ₊ )( 1 )

Подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры сравнительно слабо и с ее возрастанием уменьшается по закону   T ^–3/2. Это объясняется тем, что с повышением температуры возрастает число столкновений в единицу времени, вследствие чего уменьшается скорость направленного движения носителей заряда в поле единичной напряженности.

Рассмотрим донорный полупроводник. Вследствие малой концентрации электронов проводимости полупроводники подчиняются классической статистике Максвелла-Больцмана. Поэтому в области низких температур для концентрации электронов в зоне проводимости с одним видом примеси имеем:

n = A T ^3/2 e ^{- W / kT}, ( 2)

где А - коэффициент, не зависящий от Т; W - энергия активации примеси, то есть энергетическийинтервал между донорным уровнем и нижним краем зоны проводимости ( рис.Iв) К - постоянная Больцмана.

Так как подвижность  и множитель Т^3/2 в формуле (2) с температурой меняются медленно по сравнению с экспоненциальным членом и в противоположные стороны, то в рассматриваемой области низких температур удельная проводимость примесного полупроводника изменяется по экспоненциальному закону:

 = B e ^{- W / kT}, (3)

где В - величина, практически постоянная в данной области температур.

Прологарифмировав уравнение (3), получим:

ln = lnB – (W/k)(1/T). (4)

Откладывая по оси абсцисс I / Т, а по оси ординат ln, получим в области относительно низких температур (область I на рис.2) прямую, угловой коэффициент которой W/ k = tg  определяется энергией активации примеси W.

При достаточно высокой температуре практически все носители тока перейдут с донорных уровней в зону проводимости, и концентрация свободных электронов будет оставаться постоянной. Область II (рис.2) называется областью "истощения примеси". В данном интервале температур проводимость будет несколько падать из-за уменьшения подвижности носителей тока.

В области собственной проводимости, когда начнутся переходы электронов из валентной зовы в зону проводимости:

n ₊ = n _-= A T ^3/2 e ^{-  E/ 2 k T}; (5)

и при графическом построении в полулогарифмических координатах получается прямая (область III на рис. 2), наклон которой определяется шириной запрещенной зоны.

E / 2k = tg  (6)

Рис. 2. Температурная зависимость удельной