Твердотельная електроника / Tverdotila_elektronika

дією цих електронів зростає струм на величину Iô . Дірки

створюють у базі позитивний заряд, який зміщує ЕП у прямому напрямі і викликає інжекцію електронів. Унаслідок інжекції електронів через ЕП, їх дифузії через базу та екстракції через КП струм колектора додатково

зана на рис. 6.12 б. Збільшення освітлення фототранзистора приводить, згідно з формулою (6.5), до зростання колекторного струму. Інтегральна чутливість фототранзистора Sô в (1+ h21E ) раз більша, ніж у фотодіода. Це пояснюється

тим, що у фототранзистора струм Iô підсилюється в

(1+ h21E ) раз.

Фототиристори (рис. 6.13) є фотоприймачами з ключовою пороговою характеристикою і застосовуються для перемикання великих струмів і напруг. ВАХ з відкриваючою дією світлового потоку Ô показана на рис. 6.13 б.

а) б)

Рисунок 6.13 – Структура, схема вмикання (а) та ВАХ (б) фототиристора

229

Засвічення базової області тиристора зумовлює генерацію надлишкових носіїв заряду, що приводить до перемикання чотиришарової структури із закритого стану у відкритий так само, як це буває у триністорі при перемиканні керувальним струмом.

6.4 Оптрони та їх застосування

Оптрон, або оптопара, - це оптоелектронний прилад, що містить у собі конструктивно об’єднані й розміщені в одному корпусі джерело і приймач випромінювання з певним видом оптичного й електричного зв’язку між ними.

В електронних схемах оптрон виконує функцію елемента зв’язку, в одній з ланок якого інформація передається оптичним шляхом. Якщо між компонентами оптрона створити електричний зворотний зв’язок, то оптрон стає активним приладом, придатним для підсилення і генерування електричних і оптичних сигналів.

Приклад будови резисторного оптрона показано на рис. 6.14.

3

2 1 4

Рисунок 6.14 – Будова резисторного оптрона: 1 – світлодіод; 2 – металевий корпус; 3 – фоторезистор;

4 – електростатичний екран

Як джерело світла в ньому використовується світлодіод 1, як фотоприймач – фоторезистор 3 у вигляді спресованої таблетки. Для зменшення ємнісного зв’язку між джерелом

230

світла та фотоприймачем розміщується прозорий електростатичний екран 4. Внутрішня частина оптрона заливається оргсклом або епоксидною смолою, які захищають прилад від впливу зовнішнього середовища і відіграють роль світловода. Герметичний металевий корпус 2 зовні нагадує корпус простого транзистора.

Джерело і приймач світла в оптроні мають бути спектрально узгоджені між собою. В оптичному видимому діапазоні застосовуються світлодіоди на основі SiC або GaP і фоторезистори на основі селеніду кадмію (CdSe) або сульфіду кадмію (CdS).

Проте оптичне середовище в оптроні може створюватися не лише з прозорого компаунда на основі полімерів. Для одержання високої розв’язки виходу і входу використовують волоконні світловоди у вигляді нитки з прозорого діелектрика. Світловий промінь від джерела випромінювання потрапляє в торець світловоду, і після багаторазового відбиття від бічних стінок він виходить з іншого кінця світловоду, зазнавши малого гасіння. За допомогою волоконного світловоду можлива передача сигналу керування на великі відстані з високою електричною розв’язкою і завадостійкістю.

Схема вмикання діодного оптрона зображена на рис. 6.15.

U

+

Uвх Uвих RH

Рисунок 6.15 – Схема вмикання діодного оптрона

Принцип дії оптрона полягає в тому, що під дією вхідного сигналу (сигналу керування) змінюється

231

знімається з навантаження RH .

До основних параметрів оптрона належать:

-коефіцієнт передачі K =Uâèõ /U âõ ;

-швидкодія;

-опір розв’язки RÐ 1012 Ом;

-ємність розв’язки ÑÐ 1014 Ф.

Переваги оптронів:

1 Можливість керувати високими напругами за допомогою низьких напруг завдяки високій електричній ізоляції ( RÐ 1012 Ом).

2 Широка смуга пропускання (від постійної складової до гігагерців).

3 Фізична й конструктивна різноманітність, широта функціональних можливостей.

Оптронам властиві й деякі недоліки. До них належать висока споживана потужність, сильна температурна залежність характеристик, складність виготовлення, високий рівень власних шумів.

Залежно від виду фотоприймача розрізняють (рис. 6.16) діодні, резисторні, транзисторні, тиристорні оптрони.

Рисунок 6.16 – Схемні позначення різновидів оптронів:

а) діодний; б) резисторний; в) транзисторний; г) тиристорний

232

Швидкий розвиток оптоелектроніки зробив можливим у багатьох випадках замінити елементи електронних схем оптронами. Деякі приклади такої заміни наведені у табл. 6.1.

Таблиця 6.1

Електрорадіокомпонент Оптронний аналог

Імпульсний

трансформатор

Перемикач

Змінний резистор

Потенціометр

Змінний конденсатор

233

7 ОСНОВИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ

7.1 Основні поняття і визначення

Мікроелектроніка – це галузь електроніки, пов'язана з розробленням, виготовленням і експлуатацією мікроелектронних виробів.

Історична довідка

Розвиток електронної техніки у другій половині ХХ століття відбувається за такими етапами.

1 50-ті роки ХХ ст. – етап вакуумної електроніки.

Елементна база останньої – елекронно-вакуумні прилади. Відбувається мініатюризація електронних ламп і пасивних елементів, оптимізація їх характеристик і параметрів, застосовується об'ємний монтаж. Це дозволило підвищити щільність упакування до 200 елементів на 1 дм³ (0,2 елемента на 1 см³).

2 60-ті роки ХХ ст. – етап дискретної напівпровідни-

кової електроніки. Здобутки цього етапу відображені, зокрема, в попередніх розділах цього навчального посібника. Поява і широке впровадження транзисторів, які разом з мініатюрними пасивними елементами утворюють якісний стрибок у мініатюризації пристроїв електроніки, сприяють підвищенню надійності, економічності, зниженню габаритів і маси. Актуалізуються функціонально-вузловий метод конструювання електронної техніки: не з окремих радіодеталей, а з уніфікованих функціональних вузлів – підсилювачів, генераторів, перетворювачів, тригерів тощо. Застосовуються модулі (мікромодулі) із щільністю упакування 2 елементи на 1 см³.

3 70-ті роки ХХ ст. – етап мікроелектроніки. Перехід до застосування інтегральних схем (ІС). «Схема» в цьому терміні набуває нового значення: це пристрій, вузол. «Інтегральна» вказує на об'єднання великої кількості

234

електрично з'єднаних елементів у одному виробі (корпусі). В ІС зникає необхідність застосування численних паяних з'єднань, які знижують надійність; зменшуються габарити і маса, а відтак вартість електронних виробів, оскільки зменшується кількість складальних і монтажних операцій. ІС на цьому етапі містять у собі 10-40 еквівалентних елементів (біполярних транзисторів, резисторів, конденсаторів, МДН-структур тощо). Кожна інтегральна схема виконує порівняно просту закінчену функцію (підсилювач, формувач, логічний елемент, тригер, лічильник тощо) і оформляється в автономному корпусі. Подальший розвиток мікромініатюризації до 1000 елементів на кристалі.

4 80-ті роки ХХ ст. – етап комплексної мікромініатюризації електронної техніки, етап великих інтегральних схем (ВІС) і надвеликих інтегральних схем (НВІС). ВІС порівняно з ІС малого рівня інтеграції більш надійні, дешевші, менші за габаритами. Поява мікропроцесорів дозволила замінити апаратурне (схемне) проектування електронної техніки програмуванням універсальних структур згідно з виконуваною ними функцією.

5 90-ті роки ХХ ст. – оголошений етап так званої функ-

ціональної мікроелектроніки. Втім, на пострадянському просторі внаслідок великих політико-економічних зрушень цей етап був значною мірою підважений, хоча світова електроніка продовжувала неухильно розвиватися. Елементна база цього етапу – ІС, які функціонують на базі нових фізичних явищ і принципів (оптоелектроніка, акустоелектроніка, хемоелектроніка, магнітоелектроніка тощо). Особливістю елементів функціональної мікроелектроніки є застосування середовищ з розподіленими параметрами, в яких не вдається виділити окремі області, що виконують функції звичайних радіоелементів. Тому зрештою це електронні схеми, які не містять елементів і міжз’єднань у

235

звичайному розумінні. Такі схеми можна характеризувати лише в цілому з огляду на виконувану ними функцію, причому вони можуть мати такі характеристики, яких не мають звичайні радіосхеми.

Мікроелектронний виріб – електронний пристрій з високим ступенем інтеграції (об'єднання) електрорадіоелементів.

Інтегральна схема (ІС) – мікроелектронний виріб, який виконує певну функцію перетворення та обробки сигналів і має високу щільність упакування електрично з'єднаних елементів (більше ніж 5 елементів на 1 см³). З точки зору виготовлення і експлуатації ІС розглядається як єдине ціле і складається з елементів та компонентів.

Елемент ІС – частина ІС, що реалізує функцію будьякого радіоелемента (транзистор, діод, резистор, конденсатор). Він не може бути відділеним від ІС як самостійний виріб і виконаний у кристалі ІС. Наприклад, елементами ІС є біполярні транзистори і діоди у напівпровідникових мікросхемах, плівкові резистори в гібридних мікросхемах.

Компонент ІС – частина ІС, яка реалізує функцію будьякого електрорадіоелемента. Однак компонент є самостійним виробом, що виготовляється окремо від ІС і може бути відділений від ІС. Наприклад, біполярні транзистори і діоди в гібридних ІС.

Напівпровідникова ІС – це ІС, у якої всі елементи і міжз’єднання виконані в об'ємі і на поверхні напівпровідникової пластини (рис. 7.1).

Плівкова ІС - це ІС, у якої всі елементи і міжз’єднання виконані у вигляді різних плівок, нанесених на поверхню діелектричної підкладки.

Гібридна ІС являє собою комбінацію плівкових пасивних елементів і активних компонентів, розміщених на спільній діелектричній підкладці (рис. 7.2).

236

Рисунок 7.1 – Структура напівпровідникової ІС

Рисунок 7.2 – Структура ГІС

237

Суміщена ІС це мікросхема, в якій активні елементи розміщені в об'ємі напівпровідникового кристала, а пасивні, виготовлені за плівковою технологією, наносяться на попередньо ізольовану діелектриком поверхню напівпровідникового кристала (рис. 7.3).

Рисунок 7.3 – Структура суміщеної ІС

Елементи конструкції ІС Корпус ІС – призначений для захисту ІС від зовнішніх

впливів і для з'єднання із зовнішніми електричними колами за допомогою виводів. Разом із корпусними випускаються і безкорпусні ІС.

Підкладка ІС – заготовка, призначена для виготовлення на ній елементів гібридних ІС, міжз’єднань і контактних площадок.

Напівпровідникова пластина заготовка з напівпровід-

никового матеріалу, яка застосовується для виготовлення напівпровідникових інтегральних схем (рис. 7.4. поз. 1).

Кристал ІС, чіп – частина напівпровідникової пластини (прямокутник 5х5 мм), у об'ємі і на поверхні якої

238