1.3. Полупроводниковые приборы

Действие полупроводниковых приборов основано на электронных процессах, протекающих в кристаллах полупроводников.

Ассортимент полупроводниковых приборов очень разнообразен. Они используются для тех же целей, что и радиолампы, т.е. выпрямления, усиления, генерирования, детектирования электрических колебаний, а также для преобразования различных видов энергии. Некоторые из них являются твердотельными аналогами электровакуумных приборов.

Основным полупроводниковым материалом в настоящее время служит кристаллический кремний. Кристаллы кремния в обычных условиях являются диэлектриками. Однако, если в них ввести небольшое количество пятивалентных элементов (сурьма, мышьяк), в их кристаллической решетке образуются свободные электроны и кристаллы становятся проводниками.

Такая проводимость кристаллов называется электронной или отрицательной, или негативной (negative), или проводимостью n-типа. Введение в кристалл кремния трехвалентных примесей (индий, бор) приводит к тому, что в кристалле возникает дефицит электронов  так называемые "дырки", которые также могут переносить электрические заряды, только в обратном направлении. Такая проводимость называется дырочной или положительной (positive), или проводимостью p-типа.

По существу, в полупроводниковых приборах протекают те же электронные процессы, что и в радиолампах, только не вакууме, а в твердой фазе. Это придает им ряд преимуществ.

Они, в отличие от радиоламп, не боятся ударных нагрузок (в пределах разумного). Они в сотни раз экономичнее радиоламп, так как отсутствует необходимость в подогреве катода. Они в миллионы раз (в микросхемах) миниатюрнее радиоламп и, наконец, они отличаются высокой степенью надежности.

Эти достоинства способствовали быстрому развитию полупроводниковой электроники и повсеместному вытеснению радиоламп. Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные.

Дискретные полупроводниковые приборы

К дискретным полупроводниковым приборам относятся электропреобразовательные приборы  диоды, транзисторы, тиристоры, излучающие диоды, оптроны, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами  фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, магниторезисторы, варикапы и др., которые используются в качестве датчиков физических параметров.

Диоды

Диоды представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух слоев полупроводникового материала с электропроводностью типа n и p. Граница между этими слоями обладает способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Понятие “полупроводниковый диод” объединяет полупроводниковые диоды с различным назначением: выпрямительные, детекторные, стабилизирующие, излучающие, управляемые и др.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала (преобразования электрических колебаний промежуточной частоты в электрические сигналы звуковой частоты).

Стабилизирующие диоды представляют собой полупроводниковые диоды, напряжение на которых практически не зависит от тока в заданном его диапазоне и которые предназначены для стабилизации напряжения. К ним относятся стабилитроны и стабисторы.

Излучающие диоды представляют собой диоды, способные излучать энергию определенного спектрального состава при прохождении через них прямого тока. К ним относятся светоизлучающие диоды и инфракрасные излучающие диоды. Первые применяют в качестве индикаторов режимов работы аппаратуры, а также в устройствах визуального отображения аналоговой и цифровой информации. Инфракрасные излучающие диоды применяют в пультах дистанционного управления режимами работы аппаратуры.

К управляемым диодам относятся фотодиоды и варикапы.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод, действие которого основано на зависимости тока, проходящего через p-n-переход, от уровня освещения.

Варикап  это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Их широко используют вместо конденсаторов переменной емкости в устройствах автоматической подстройки частоты.

Роль диэлектрика в варикапах играет сам p-n-переход, к которому приложено обратное напряжение; роль обкладок  прилежащие слои полупроводника с электрическими зарядами разного знака  электронами и дырками. При изменении напряжения, приложенного к p-n-переходу, изменяется его толщина, а следовательно, и емкость между слоями полупроводника.

К полупроводниковым управляемым резисторам относятся фоторезисторы, терморезисторы, варисторы, магниторезисторы, сопротивление которых изменяется под воздействием внешних факторов: освещения, температуры, приложенного напряжения, магнитного поля соответственно. Их используют в системах автоматического управления, в устройствах считывания информации. В частности магниторезисторы, в связи с их высокой чувствительностью, быстродействием, надежностью, находят применение в магнитофонах вместо воспроизводящих магнитных головок. Фоторезисторы используются в фотоэкспонометрах для определения освещенности объектов съемки.

Оптрон представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.

Основными параметрами полупроводниковых диодов являются: максимально допустимый средний выпрямленный ток, максимально допустимое постоянное обратное напряжение, рассеиваемая мощность. Для фоторезисторов основным параметром является удельная чувствительность, численно равная отношению фототока (мкА) к падающему на фоторезистор световому потоку (лм) и приложенному напряжению (В).

Транзисторы

Транзисторы  это полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Они подразделяются на биполярные и полевые.

Биполярные транзисторы  это полупроводниковые приборы, состоящие из трех чередующихся слоев полупроводникового материала с электропроводностью p- и n- типов. Среднюю область биполярного транзистора называют базой, а крайние области  эмиттером и коллектором. База исполняет роль управляющей сетки в радиолампе и предназначена для модулирования мощного тока, протекающего между эмиттером и коллектором. Транзистор, в зависимости от типа электропроводимости базы, обозначают формулой p-n-p и n-p-n.

Полевые транзисторы  это полупроводниковые приборы, усилительные свойства которых обусловлены потоком основных носителей заряда одной полярности, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем. Основой такого транзистора является созданный в полупроводнике и снабженный двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n- или р-типа. Сопротивлением канала управляет третий электрод  затвор, соединенный с его средней частью p-n-переходом.

Транзисторы имеют в отличие от диодов три или более вывода (биполярные транзисторы с несколькими эмиттерами; полевые транзисторы могут иметь несколько затворов).

По частотным свойствам транзисторы делят на низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 МГц до 30 МГц), высокочастотные (от 30 МГц до 300 МГц); по максимальной рассеиваемой мощности  на маломощные (до 1 Вт) и мощные (свыше 1 Вт).

Для маркировки транзисторов применяют буквенно-цифровой код или цветной код (тип транзистора и его основные параметры обозначаются цветом корпуса и нанесением соответствующей цветной метки).

Тиристоры

Тиристоры (от греческого thyra  дверь и английского (risi)stor  резистор)  представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из четырех и более чередующихся слоев полупроводникового материала с электропроводностью типов p и n и соответственно имеющие три p-n-перехода (структура p-n-p-n) и более.

Они обладают способностью переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Находят широкое применение в различных регуляторах переменного напряжения и других устройствах.

Тиристоры с выводами только от крайних слоев структуры называют динисторами. Тиристоры с дополнительным (третьим) выводом (от одного из внутренних слоев структуры) называют тринисторами.

Интегральные полупроводниковые приборы

К интегральным полупроводниковым приборам относятся интегральные микросхемы, микропроцессоры и приборы с зарядовой связью.

Интегральные микросхемы

Интегральные микросхемы представляют собой конструктивно законченное изделие электронной техники, содержащее совокупность электрически связанных по определенной схеме миниатюрных радиоэлементов и дискретных полупроводниковых приборов, изготовленных в едином технологическом цикле.

Микроэлементы полупроводниковых интегральных микросхем формируют в объеме и тонком приповерхностном слое полированной полупроводниковой пластины, путем комбинации процессов легирования, оксидирования, металлизации, лазерного отжига.

Интегральные микросхемы являются элементной базой современной электронной аппаратуры третьего поколения² и предназначены для преобразования, обработки, хранения информации.

В зависимости от количества входящих в их состав элементов, они условно подразделяются на малые интегральные схемы (МИС  до 10² элементов на полупроводниковый кристалл), средние (СИС  до 10³), большие (БИС  до 10⁴), сверхбольшие (СБИС  до 10⁶), ультрабольшие (УБИС  до 10⁹), гигабольшие (ГБИС  более 10⁹ элементов на кристалл).

По функциональному назначению интегральные микросхемы подразделяются на аналоговые, цифровые и преобразовательные.

Аналоговая интегральная схема  это микросхема, в которой прием, преобразование и выдача сигналов осуществляется посредством плавного (непрерывного) изменения напряжения (или тока). Выходной сигнал на любом из элементов аналоговой интегральной схемы является непрерывной функцией входного.

Цифровая интегральная схема  это микросхема, в которой прием, преобразование и выдача информации, представленной в виде цифрового кода, осуществляются посредством дискретных сигналов.

Цифровые интегральные схемы применяются в микропроцессорах, микро-ЭВМ, аппаратуре с цифровым программным управлением.

К преобразовательным интегральным микросхемам относятся аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, осуществляющие автоматическое преобразование непрерывно изменяющейся аналоговой величины в цифровой код. Процесс аналого-цифрового преобразования в общем случае включает процедуры квантования (дискретизации непрерывной величины по времени, уровню или обоим параметрам одновременно) и кодирования. При квантовании непрерывная величина преобразуется в последовательность ее мгновенных значений.

При кодировании выделенные в процессе квантования мгновенные значения исходной величины (тока, напряжения) измеряются и результаты фиксируются в виде цифрового кода (обычно в двоичной системе счисления)

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) служат для автоматического преобразования цифровых кодов в эквивалентные им значения какой-либо физической величины (тока, напряжения).

АЦП и ЦАП широко применяются в аппаратуре цифровой записи и воспроизведения информации.

Микропроцессоры

Микропроцессоры представляют собой самостоятельные устройства, выполненные, как правило, в виде одной интегральной микросхемы, осуществляющие обработку информации по хранимой в их памяти программе.

Они содержат арифметико-логическое устройство, устройство управления, внутреннее запоминающее устройство, устройство ввода-вывода информации и характеризуются производительностью (быстродействием), объемом постоянной и оперативной памяти. По способу управления различают микропроцессоры со схемным управлением и с микропрограммным управлением.

Микропроцессоры со схемным управлением работают по “жесткой” схеме  набору неперестраиваемых программ, хранящихся в их памяти.

Микропроцессоры с микропрограммным управлением работают по “гибкой” схеме  набору перестраиваемых программ. Они позволяют оператору определять состав и очередность выполнения микрокоманд.

Использование микропроцессоров в бытовой электронной аппаратуре значительно расширяет ее функциональные возможности. Например, микропроцессор может осуществлять включение и выключение аппаратуры по заданной программе в определенное время, автоматический поиск радиостанций, регулировку громкости, тембра, запоминать величины выбранных параметров и выводить их на экран.