Напівпровідникові прилади і інтегральні мікросхеми
Усі напівпровідникові прилади можна умовно розділити на дві великі групи: біполярні та уніполярні. До біполярних приладів необхідно віднести усі ті прилади, для роботи яких принципово важливо наявність двох типів носіїв - електронів і дірок. До приладів цього типу, як правило, відносять усі пристрої, в яких управління електронним потоком проводиться за допомогою електронно-діркового переходу (p - n - переходу). В приладах цього типу перенесення енергії сигналу проводиться почергово електронами, дірками або тими та іншими одночасно. До уніполярних приладів відносяться прилади, в яких проводиться управління потоками, що переважно складаються з носіїв одного типу, або електронів, або дірок.
За реакцією на вхідний сигнал прилади можна розділити на підсилювальні (активні), перетворювальні та пасивні. Підсилювальні або активні прилади збільшують потужність вхідного сигналу за рахунок енергії, що надходить з джерела живлення.
На корпусах напівпровідникових приладів і мікросхем вказується марка (тип) приладу, наприклад КТ315А, КТ361Б, МП42Б, Д226Б, К155ЛА3 (марка приладу може бути закодована кольоровими позначками).
Напівпровідникові прилади і мікросхеми мають два, три і більше виводів . Виводи виконані від певних електродів напівпровідникових приладів та мікросхем і повинні бути підключені відповідно принциповій схемі пристрою монтаж якого виконується. Визначають розташування виводів діодів, транзисторів, тиристорів, а також визначають їх параметри користуючись довідниковою літературою, в якій наводяться креслення конструкції, параметри і характеристики напівпровідникових приладів.
Нумерація виводів мікросхем і збірок напівпровідникових приладів виконується починаючи з першого номера від ключової мітки за годинниковою стрілкою зі сторони монтажу мікросхеми чи збірки. Ключовою міткою може бути точка (цятка), виступ, впадина, отвір у корпусі мікросхеми чи збірки. (Л-1, с.131…363)
Напівпровідникові діоди
Діод (рос. диод, англ. diode, нім. die Diode) — електронний прилад з двома електродами, що пропускає електричний струм лише в одному напрямі. Застосовується у радіотехніці, електроніці, енергетиці та в інших галузях, переважно для випрямляння змінного електричного струму, детектування, перетворення та помноження частоти, а також для переключення електричних кіл.
Діоди
Діоди виготовляють з кремнію, германію, селену, та інших напівпровідників.
Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода
|
|
|
|
Діод |
Діод Зенера |
Діод Шоткі |
Тунельний діод |
|
|
|
|
Світлодіод |
Фотодіод |
Варикап |
Тиристор |
Позначення деяких діодів.
Транзистори.
|
Різноманітні транзистори. |
Транзистори є основними елементами сучасної електроніки. Зазвичай вони застосовуються в підсилювачах і логічних електронних схемах. У мікросхемах в єдиний функціональний блок об'єднані тисячі й мільйони окремих транзисторів.
За будовою та принципом дії транзистори поділяють на два великі класи: біполярні транзистори й польові транзистори. До кожного з цих класів входять численні типи транзисторів, що відрізняються за будовою і характеристиками.
|
PNP |
|
P-канальний |
|
NPN |
|
N-канальний |
Біполярні |
|
Польові |
|
|
|
|
|
P-канальний |
||
|
|
|
|
N-канальний |
||
Польові |
Метал-оксидні збагачення |
Метал-оксидні збіднення |
|
|||
Позначення різних типів польових транзисторів
Окрім поділу на біполярні та польові транзистори, існує багато різних типів, специфічних за своєю будовою.
Біполярні транзистори розрізняються за полярністю: вони бувають p-n-p та n-p-n типу. Середня літера в цих позначеннях відповідає типу провідності матеріалу бази.
Польові транзистори розрізняються за типом провідності в каналі: на p-канальні (основний тип провідності — дірковий) та n-канальні — основний тип провідності електронний.
Серед польових транзисторів найбільш поширені транзистори типу метал-оксид-напівпровідник, які можуть використовувати або область збагачення або область збіднення.
Транзистори розрізняються також за матеріалом, за максимальною потужністю, максимальною чаcтотою, за призначенням, за типом корпуса.
Найпоширеніший напівпровідниковий матеріал для виробництва транзисторів — кремній. Використовуються також германій, арсенід галію та інші бінарні напівпровідники.
Сімейство вольт-амперних характеристик для МОН-транзистора.
Кожна крива показує залежність струму між витоком і стоком, в залежності від напруги між цими двома електродами, для різних значень напруги між витоком і затвором
Оскільки транзистор має три електроди, то для кожного із струмів через два електроди транзистора, існує сімейство вольт-амперних характеристик при різних значеннях напруги на третьому електроді, або струму, який протікає через нього.
У багатьох застосуваннях важливі частотні характеристики транзисторів — швидкість перемикання між різними станами.
Тиристори.
Тири́стор — це перемикальний напівпровідниковий прилад, що проводить струм тільки в одному напрямку. Цей радіоелемент часто порівнюють з керованим діодом і називають напівпровідниковим керованим вентилем (англ. Silicon Controlled Rectifier, SCR).
Тиристори
Тиристор має три виводи, один з яких — керуючий електрод — використовується для різкого переводу тиристора у включений стан.
Тиристор суміщає в собі функції випрямляча, вимикача і підсилювача. Часто він використовується як регулятор, головним чином, коли схема живиться змінною напругою. Основні властивості тиристора:
тиристор, як і діод, проводить в одному напрямку, проявляючи себе як випрямляч;
тиристор переводиться з вимкненого стану у ввімкнений при подачі сигналу на керуючий електрод і, як вимикач, має два стійкі стани. Проте для повернення тиристора у вимкнений стан необхідно виконати спеціальні умови;
керуючий струм, необхідний для переводу тиристора із вимкненого стану у ввімкнений, значно менший (декілька міліампер) при робочому струмі в декілька ампер і навіть в декілька десятків ампер. Тому тиристор володіє властивостями підсилювача струму;
середній струм через навантаження, включене послідовно з тиристором, можна точно регулювати залежно від тривалості сигналу на керуючому електроді. Тиристор при цьому є регулятором потужності.
|
|
Позначення на схемах |
Вольт-амперна характеристика тиристора |
Інтегральні мікросхеми.
Мікросхема (microcircuit) — електронна схема, що реалізована у вигляді напівпровідникового кристалу та виконує певну функцію. Винайдена у 1958 році американськими винахідниками Джеком Кілбі та Робертом Нойсом.
Інтегральні мікросхеми
У 1961 році фірма Fairchild Semiconductor Corporation випустила інтегральні схеми у вільний продаж, і їх відразу стали використовувати у виробництві калькуляторів і комп'ютерів замість окремих транзисторів, що дозволило значно зменшити їхній розмір, та збільшити продуктивність.
Перша радянська напівпровідникова мікросхема була створена у 1961 році, в Таганрозькому радіотехнічному інституті.
Основним елементом аналогових мікросхем є транзистори (біполярні або польові). Різниця в технології виготовлення транзисторів істотно впливає на характеристики мікросхем. Тому нерідко в описі мікросхеми вказують технологію виготовлення, щоб підкреслити тим самим загальну характеристику властивостей і можливостей мікросхеми. У сучасних технологіях об'єднують технології біполярних і польових транзисторів, щоб добитися поліпшення характеристик мікросхем.
Мікросхеми на уніполярних (польових) транзисторах — найекономічніші (по споживанню струму) :
МОH-логіка (метал-оксид-напівпровідник логіка) — мікросхеми формуються з польових транзисторів n -МОH або p -МОH типу;
КМОН-логіка (комплемент МОН-логика) — кожен логічний елемент мікросхеми складається з пари взаємодоповнюючих (комплементу) польових транзисторів (n -МОН і p -МОН).
Мікросхеми на біполярних транзисторах:
РТЛ — транзисторна для резистора логіка (застаріла і замінена на ТТЛ);
ДТЛ — діодно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
ТТЛ — транзисторно-транзисторна логіка — мікросхеми зроблені з біполярних транзисторів з багатоемітерними транзисторами на вході;
ТТЛШ — транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шотки — вдосконалена ТТЛ, в якій використовуються біполярні транзистори з ефектом Шотки;
ЕЗЛ — емітерно-пов'язана логіка — на біполярних транзисторах, режим роботи яких підібраний так, щоб вони не входили в режим насичення, — що істотно підвищує швидкодію;
ІІЛ — інтегрально-інжекційна логіка.
КМОН і ТТЛ (ТТЛШ) технології є найбільш поширеними логіками мікросхем. Де необхідно економити споживання струму, застосовують КМОП-технологію, де важливіше швидкість і не потрібно економію споживаної потужності застосовують ТТЛ-технологію. Слабким місцем КМОП-микросхем є уразливість від статичної електрики — досить торкнутися рукою виводів мікросхеми і її цілісність вже не гарантується. З розвитком технологій ТТЛ і КМОН мікросхеми за параметрами зближуються і, як наслідок, наприклад, серія мікросхем 1564 — зроблена за технологією КМОП, а функціональність і розміщення в корпусі як у ТТЛ технології.
Мікросхеми, виготовлені за ЕЗЛ-технологією є найшвидшими, але і найбільш енергоспоживаючими, і застосовувалися при виробництві обчислювальної техніки в тих випадках, коли найважливішим параметром була швидкість обчислення. У СРСР найпродуктивніші ЕОМ типу ЕС106х виготовлялися на ЕЗЛ-микросхемах. Зараз ця технологія використовується рідко.
Аналогових і цифрових мікросхеми випускаються серіями. Серія — це група мікросхем, що мають єдине конструктивно-технологічне виконання і призначені для спільного застосування. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакову напругу джерел живлення, погоджені по вхідних і вихідних опорах, рівнях сигналів.
Мікросхеми випускаються в двох конструктивних варіантах — корпусному і безкорпусному.
Безкорпусна мікросхема — це напівпровідниковий кристал, призначений для монтажу в гібридну мікросхему або мікрозборку (можливий безпосередній монтаж на друковану плату). Корпус мікросхеми — це частина конструкції мікросхеми, призначена для захисту від зовнішніх дій і для з'єднання із зовнішніми електричними ланцюгами за допомогою виводів. Корпуси стандартизовані для спрощення технологічного процесу виготовлення виробів з різних мікросхем. Число стандартних корпусів обчислюється сотнями. У сучасних імпортних корпусах для поверхневого монтажу застосовують і метричні розміри: 0,8 мм; 0,65 мм і інші.
Інтегральна мікросхема може мати закінчений, скільки завгодно складний, функціонал — аж до цілого мікрокомп'ютера (однокристальний мікрокомп'ютер).