1

ВСТУП

Електроніка - це галузь науки і техніки, що вивчає:

• фізичні явища, пов'язані зі зміною концентрації і переміщенням заряджених часток у вакуумі, газі та твердих кристалічних тілах;

• електричні характеристики та параметри електронновакуумних, іонних та напівпровідникових приладів;

• властивості пристроїв і систем, у яких застосовуються електрон- но-вакуумні, іонні та напівпровідникові прилади.

Перший з цих напрямків складає основу фізичної електроніки, дру­гий і третій - технічної електроніки.

У свою чергу, технічна електроніка має чотири головних напрямки: радіоелектроніка, промислова електроніка, ядерна та біологічна елект­роніка.

• Радіоелектроніка пов'язана з радіотехнікою, бо є основою радіо­ зв'язку, телебачення, радіолокації, радіоуправління, радіонавігації, радіо­ астрономії.

• Промислова електроніка пов'язана із застосуванням електрон­ них пристроїв у різних галузях промисловості і обслуговує ці галузі при­ строями контролю, керування, вимірювання, перетворення електрич­ ної енергії, а також технологічним обладнанням.

• Ядерна електроніка пов'язана з процесами отримання, вивчення та використання елементарних часток.

• Біологічна електроніка охоплює використання електронних при­ строїв у біологічних дослідженнях, особливо в медицині (медична елек­ троніка).

Специфіка окремих галузей технічної електроніки полягає у викори­станні електронних пристроїв, особливостях їх схем та технічних харак­теристик. Так, схеми й характеристики випрямлячів у потужних енер­гетичних установках відрізняються від схем та характеристик ви­прямлячів радіотехнічних пристроїв.

Слід зазначити, що в наш час прогрес практично в усіх галузях науки і техніки багато у чому зумовлений успіхами електроніки. Тому знання основ технічної електроніки необхідні інженерові будь-якої спеціальності.

ВСТУП

Особливо важливо уявляти можливості сучасної електроніки для вирішення наукових та технічних задач у тій чи іншій галузі. Багато задач керування, вимірювання, інтенсифікації технологічних процесів, що виникають у різних галузях техніки, можуть бути успішно розв'я­зані спеціалістами, знайомими з основами електроніки.

Промислова електроніка, якою ми будемо займатися надалі, має три складові: інформаційна електроніка, енергетична електроніка, елект­ронна технологія.

• Інформаційна електроніка складає основу електронно-об- числю вальної та інформаційно-вимірювальної техніки, а також пристроїв автоматики. До неї належать електронні пристрої одержання, опрацю­вання та зберігання інформації, пристрої керування різними об'єктами та технологічними процесами.

• Енергетична електроніка пов'язана з питаннями перетворення електричної енергіїта пристроями і системами перетворення електрич­ ної енергії середньої і великої потужності. Сюди належать перетворю­ вачі змінного струму в постійний (випрямлячі), постійного струму в змінний (інвертори), перетворювачі частоти, регулятори і т. п.

• Електронна технологія забезпечує використання електронних при­ строїв у технологічних цілях. Це, наприклад, застосування високочас­ тотного генератора для сушіння деревини, нагріву, плавлення та зва­ рювання металів, приготування їжі тощо.

Розвиток сучасної промислової електроніки нерозривно пов'язаний з досягненнями мікроелектроніки, яка, в свою чергу, базується на інтег­ ральній технології. Остання дозволила отримувати вузли електронних пристроїв, перш за все інформаційної електроніки,в мікровиконанні у вигляді інтегральних мікросхем. -

Питаннями побудови електронних пристроїв на інтегральних мікро­схемах займається мікросхемотехніка.

Промислова електроніка тісно пов'язана з електротехнічними дисцип­лінами, які Ви вивчаєте . Вона базується на курсах вищої математи­ки, фізики, теоретичних основ електротехніки, електричних вимірювань.

Ці дисципліни, в свою чергу, є базисом для вивчення основ обчислю-вальноїтехніки, автоматики, перетворювальної техніки, автоматизо­ваного електроприводу та інших спеціальних дисциплін.

Мета викладання - знайомство з фізичними основами, будовою та параметрами напівпровідникових приладів, набуття навиків побудови й аналізу електронних пристроїв та систем, їх застосування при вирішенні виробничих завдань.

Наслідком навчання повинно бути вміння грамотно формулювати тех­нічні завдання на розробку електронних пристроїв для вирішення конк­ретних задач та забезпечувати заявки на сучасне електронне устатку­вання; вміння експлуатувати технологічне електронне устаткування; проектувати найпростіші електронні пристрої.

Якщо подивитись на історію розвитку електроніки, то, насамперед зазначимо, що успіхи, досягнуті електронікою, історично значною мірою пов'язані з розвитком радіотехніки. Обидві ці галузі техніки розвивали­ся у тісному взаємозв'язку. Електронновакуумні та напівпровідникові електронні прилади є основними елементами радіотехнічних пристроїв і визначають найважливіші показники радіоапаратури. 3 іншого боку, необхідність вирішення багатьох проблем радіотехніки ставила перед електронікою ряд завдань, вирішення яких сприяло винаходу нових та удосконаленню існуючих електронновакуумних та напівпровідникових приладів, схемотехнічних рішень.

Електронні пристрої широко використовуються у радіозв'язку, теле­баченні, запису та відтворенні звуку, радіолокаціїта інших галузях радіо­електроніки. У той же час без них неможливо уявити сучасне облад­нання або вироби в автоматиці і телемеханіці, провідному зв'язку, атомній та ракетній техніці, астрономії, метрології, машинобудуванні, вимірювальній техніці, медицині і т. ін.

Прогрес електроніки сприяв виникненню та розвитку кібернетики -науки, що займається питаннями управління та зв'язку в машинах і жи­вих організмах, а також зробив можливим створення швидкодіючих обчис­лювальних машин. Без широкого застосування обчислювальної техніки

ВСТУП

неможливе використання космосу за допомогою штучних супутників землі, ракет, космічних кораблів та автоматичних міжпланетних станцій.

Електроніка стала могутнім засобом автоматизації та контролю ви­робничих процесів. Виключно велику роль відіграє вона при створенні роботизованих комплексів, що сприяють зменшенню використання важ­кої ручної праці в різних сферах виробництва та підвищенню якості про­дукції, що випускається.

Таким чином, тенденція розвитку техніки сьогодні така, що частка електронних вузлів у інформаційних пристроях автоматики безперерв­но зростає. Цьому значною мірою сприяло широке впровадження інтег­ральної технології, що дала змогу на одному кристалі напівпровідника малої площі (тисячні частки - декілька квадратних міліметрів) виго­товляти складні функціональні вузли різного призначення.

Промисловість серійно випускає інтегральні підсилювачі електрич­них сигналів, комутатори, логічні елементи, лічильники імпульсів, ко­дові ключі, дешифратори і т. ін. В останні роки освоєно випуск великих інтегральних мікросхем (BIM) і мікромініатюрних обчислювальних машин, що отримали назву мікропроцесорів. Кількість елементів кож­ної BIM коливається від десятків одиниць до сотень тисяч і сягає кількох мільйонів у надвеликих мікросхемах.

Типові функціональні мікровузли дають змогу зібрати потрібний елек­тронний блок без детального розрахунку окремих каскадів. I лише в тому випадку, коли типові інтегральні схеми не розв'язують якогось конкретного завдання, до них додають вузли на дискретних елемен­тах, що потребує проведення відповідних розрахунків.

Значно підвищився інтерес до оптоелектроніки, де,"крім електрич­них сигналів, використовуються і світлові. Тепер багато пристроїв, ство­рення яких за допомогою суто засобів електроніки викликає значні труд­нощі, відносно просто можуть бути реалізовані за допомогою засобів оптоелектроніки.

Стисло розглянемо історію електроніки.

Фундамент для виникнення і розвитку електроніки було закладено працями фізиків у XVIII - XIX ст. Перші в світі дослідження електрич­них розрядів у повітрі були здійснені у XVIII ст. в Росії академіками

M.B. Ломоносовим і Г.В. Ріхманом, а також американським вченим Франкліном. Важливою подією було відкриття електричної дуги ака­деміком B.B. Петровим у 1802 році. Дослідження проходження елект­ричного струму в розріджених газах проводили в минулому столітті в Англії - Крукс, Д. Томсон, Тоунсенд, Астон, а також у Німеччині -Гейслер, Гітторф, Плюккер та інші вчені.

Одним з найперших електронних приладів можна вважати фоторе-зистор із селену, винайдений в США У. Смітом в 1873 році. Тоді ж A.H. Лодигін винайшов перший у світі електровакуумний прилад - лам­пу розжарювання. Незалежно від нього, дещо пізніше, таку ж лампу створив і удосконалив відомий американський винахідник Едісон. Елек­трична дуга була вперше використана для освітлення П.Н. Яблочко-виму 1876році.

У 1874 році німецький вчений К.Ф. Браун відкрив ефект односторон­ньої провідності контакту метал - напівпровідник (селен).

Важливу роль у виникненні електроніки відіграла електронна теорія, розробленау кінці XK - на початку XX ст. кількома видатними фізиками.

У 1887 році німецький фізик Герц, відомий своїми дослідами з теорії електромагнітних хвиль, відкрив фотоелектричний ефект, а дослі­дження цього явища, які проводив з 1888 року А.Г. Столєтов (він вщкрив основні закони фотоефекту), поклали початок розвитку фото­електронних приладів.

Термоелектронну емісію було відкрито у 1884 році Едісоном, але сам він, нічого не знаючи про електрон, який був відкритий Дж. Дж. Томсо-ном лише 1897 року, не зміг пояснити це явище. Детальні дослідження термоелектронноїемісії провіву 1901 роціРічардсон.

1895 року уперше здійснено дальній безпровідний зв'язок A.C. По­повим, а роком пізніше - італійцем Дж. Марконі (щоправда, суперечка за першість у цьому продовжується до цього часу).

Використання електронних приладів у радіотехніці розпочалось з того, що в 1904 році англійський вчений Дж. А. Флемінг застосував двоелек-тродну лампу-діод із розжареним катодом для випрямлення (детекту­вання) високочастотних коливань у радіоприймачі.

Важливим винаходом було створення у 1905 році Хелом у США га-зонаповненого діода - газотрона.

У 1906 році американський інженер Л. де Форест ввів у лампу керу­ючу сітку, тобто створив перший тріод. Майже одночасно те ж саме здійснив Лібен у Німеччині.

У 1907 році професор Петербурзького технологічного інституту Б.Л. Розінг запропонував використання електронно-променевої трубки для приймання телевізійних зображень і у наступні роки здійснив екс­периментальне підтвердження своїх ідей. Це надає нам право визна­вати Б.Л. Розінга одним з основоположників сучасного телебачення.

У 1913 році німецький вчений Мейснер застосував тріод для генеру­вання електричних коливань.

В Росії перші тріоди для приймання радіосигналів виготовили у 1914-1916 роках незалежно один від одного Н.Д. Папалексі і M.A. Бонч-Бруєвич.

У 1918 році була створена Нижньогородська радіолабораторія, в якій під керівництвом M.A. Бонч-Бруєвича розроблялись потужні генераторні й малопотужні лампи. Активну участь у цих роботах брали Б.А. Остро­умов, A.M. Кугушев, A.A. Нікітін, A.A. Остряков та багато інших.

У 1918-1919 роках Бонч-Бруєвич опублікував теорію тріода, яка має велике значення для розрахунків та проектування електронних ламп (подібні праці в той же час незалежно опублікував німецький вчений Баркгаузен).

Поряд з електронними лампами у Нижньогородській радіолабора­торії були створені під керівництвом В.П. Вологдіна потужні ртутні ви­прямлячі.

У 1922 році співробітник Нижньогородської радіолабораторії Лосєв відкрив можливість генерування і підсилення електричних коливань за допомогою напівпровідникового детектора. На жаль, це відкриття не отримало тоді належного розвитку.

У 1921 році Хелл запропонував магнітрон, а у 1930 - пентод, що став однією з найбільш розповсюджених ламп. Тоді ж Л.А. Кубецький ви­найшов фотоелектронні помножувачі (аналогічні прилади у США ви­найшов Фарнсворт).

До 30-х років відносяться перші експерименти із передавальними телевізійними трубками (А.П. Костянтинов, C.I. Катаєв, П.В. Шма-ков, П.В. Тимофєєв).

Німецький вчений Прессер у 1932 році виготовив перший селеновий випрямляч.

Але всі ці епохальні відкриття та успіхи можна вважати лише попе­редніми кроками у створенні теорії електроніки, електронних приладів та схемотехнічних прийомів, оскільки справжня революція в електроніці розпочалася у 1948 році - після винайдення американськими вченими Бардіним, Браттейном і Шеклі транзистора.

Більше того, дехто вважає, що розвиток електроніки власне тільки з цього й розпочався! I таке твердження не позбавлене сенсу з огляду на те, якими темпами почали розвиватися електронні технологія, при­лади, схемотехніка. Досить звернути увагу на те, що після недовго­часного періоду панування пристроїв на дискретних транзисторах уже в 1965 році Відлар (фірма Fairchild, США) запропонував операційний підсилювач в інтегральному виконанні, а в 1971 році з'явився перший мікропроцесор (фірма Intel, США).

Поєднання інтегральних аналогових та цифрових пристроїв у су­купності з комп'ютерними технологіями (на основі мікропроцесорів) відкрило подальші найширші перспективи у розвитку і застосуванні електроніки.

Успіхи енергетичної електроніки пов'язані з розвитком силових на­півпровідникових електронних приладів. Це - створення силового діо­ду (lOA, 200 В) у 1954 році, винахід у 1956 році тиристора, а далі CIT-та IGBT-транзисторів у середині 70-х років.

Поєднання силових напівпровідникових приладів з інтегральними системами керування забезпечує прогрес у цій галузі.

Бажаємо Вам успіху у вивченні курсу!

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХПРИЛАДІВ

Розділ 1

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ

1.1. Напівпровідники. Загальні відомості

Перед тим, як приступити до розгляду теми, задамося питанням: чому мова далі піде саме про напівпровідники? А це тому, що, як видно з опису розвитку електроніки, в наш час найбільші успіхи в цій галузі пов'язані із застосуванням пристроїв, виконаних на напівпровідникових приладах.

Напівпровідники (НП) належать до класу речовин, що мають твер­ду кристалічну структуру і за провідністю (10⁴ - !О"¹⁰ Сим/см) займа­ють проміжне місце між провідниками (10⁴ - 10⁶ Сим/см) та діелект­риками (10'¹⁰ Сим/см та менше).

При виготовленні НП приладів частіше використовують кремній (Si - має робочу температуру до 140 °С), германій (Ge - найбільша робо­ча температура 75 °С), арсенід галію (GaAs - працює при температу­рах до 350-400 °С).

До НП також відносять селен, телур, деякі окисли, карбіди та сульфіди.

НП мають такі властивості:

1. негативний температурний коефіцієнт опору - із збільшенням тем­ ператури їх опір зменшується (у провідників - зростає);!

2. додання домішок призводить до зниження питомого опору (у про­ відників - до збільшення);

3. на електричну провідність впливають радіація, електромагнітне випромінювання.

Процеси електропровідності НП і діелектриків подібні, але суттєво відрізняються від електропровідності провідників.

Зазначимо, що електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома ре­човини, мають назву валентних. Вони найслабкіше зв'язані з ядром і визначають фізичні та хімічні властивості речовини.

У провідників електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома, слаб­ко зв'язані з ядром і тому досить легко покидають свої атоми й хао­тично переміщуються - стають вільними. Якщо до провідника при­класти зовнішнє електричне поле, виникне впорядкований рух елект­ронів - електричний струм.

У НП усі валентні електрони міцно зчеплені з кристалічними ґратками зав­дяки так званому ковалентному зв'язку, про який Ви знаєте з хімії. Доки цей зв'я­зок існує, електрони не можуть перено­сити електричний заряд.

Рис. 1.1 - Кристалічні ґратки германію

Механізм електропровідності НП роз­глянемо на прикладі кристалічних ґраток германію, що є елементом IV групи пе­ріодичної системи Менделєєва. Ґратки у вигляді плоскісної структури зображено на рис. 1.1.

Атоми германію розміщені у вузлах кристалічних ґраток, їх зв'язок з іншими атомами здійснюється за допомогою чотирьох валентних електро­нів. Подвійні лінії між вузлами вказують на ковалентний характер зв'язку, тобто кожна пара валентних електронів належить водночас двом сусіднім атомам. При температурі абсолютного нуля і при відсутності опромінення у НП відсутні рухомі носії і його електричний опір великий (нескінченний).

За звичайних умов, внаслідок дії на речовину теплової енергії, деякі з валентних електронів розривають ковалентні зв'язки - відбувається процес генерації пар носіїв: електронів і дірок. При цьому дірка має позитивний заряд.

Якщо тепер помістити НП в електричне поле, виникне спрямований РУХ зарядів - електричний струм. На відміну від провідників струм в НП забезпечується носіями двох зарядів - позитивного © та нега­тивного ©.

Провідність чистого НП має назву власної, сам же НП відносять до /-типу. Власна провідність звичайно невелика. Значно більшу провідність мають НП з домішками, до того ж її характер залежить від виду домішок.