книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

Достоинства тринистора — большой коэффициент усиления по мощности до 250 000 и высокое быстродействие. Трииисторы йрименяют в автоматике, вычислительных машинах, в схемах модуля­ торов и т. д.

Однопереходный транзистор

Однопереходный транзистор имеет один сплавной р-п- переход между эмиттером и базой с двумя выводами от базы и по ■своему действию представляет собой усилительный прибор. К его базовым выводам (рис. 2.99) подводится постоянное напряжение

Рис. 2.99. Схема вклю­ чения однолереходйого транзистора и его входная характеристи­ ка

Uo, которое линейно распределяется по длине базовой «-области. Если между эмиттерной р-областыо н общей точкой А схемы ми­ нусом к последней подключить постоянное напряжение, равное 0,5£Ль то участок ВС р-п-перехода окажется под действием прямого напряжения, а участок СД — обратного. Через участок ВС из эмиттера в базу будут инжектироваться дырки, которые попереч­ ным электрическим полем в базе будут отклоняться к общей .точке схемы А. Эти дырки уменьшат сопротивление базы на участке АС, что приведет к изменению распределения вдоль нее потенциала. Поверхность с потенциалом 0,bOo переместится по направлению к точке D, тем самым увеличив площадь р-«-перехода, находящуюся под прямым напряжением. Это, в свою очередь, приведет к даль­ нейшему возрастанию дырочного тока через р-«-переход и т. д. Рассмотренный процесс будет продолжаться до тех пор, пока вся поверхность перехода на участке BD не окажется под прямым на­ пряжением. Такой стационарный режим устанавливается практи­ чески мгновенно.

Если теперь на вход транзистора между эмиттером и общей точ­ кой схемы подвести изменяющееся напряжение, то его входная ха­ рактеристика будет иметь вид, изображенный на рис. 2.99 (кри­ вая 1). При изменении входного напряжения U от больших отри­ цательных значений до нуля обратный ток / к0 через р-п-переход ос­ тается практически постоянным; этот ток не будет меняться и при положительном входном напряжении до тех пор, пока приложен­ ное последнее не скомпенсирует омическое падение напряжения, создаваемое обратным (электронным) током /ко на участке AB. Только тогда через нижнюю часть р-«-перехода начнет протекать

230

прямой (дырочный) ток, компенсирующий электронный ток через остальную часть перехода (точка а на характеристике). В точке b суммарный ток становится равным нулю. Инжектированные в ба­ зу дырки стремятся увеличить входной прямой ток I, что приводит к уменьшению входного напряжения между эмиттером и общей точкой схемы, т. е. создается отрицательное сопротивление. Оно исчезает в точке с характеристики, когда вся поверхность р-п-пе­ рехода оказывается под прямым напряжением и входное напряже­ ние становится минимальным. После точки с характеристика при­ нимает вид обычной характеристики полупроводникового диода, работающего при прямом напряжении. Для сравнения на этом же рисунке приведена характеристика полупроводникового диода при Ь'о = 0, которую можно получить, разомкнув базовую цепь с источ­ ником напряжения U0.

Однопереходный транзистор, обладающий отрицательным со­ противлением, используется в схемах импульсных генераторов, гене­ раторов пилообразного напряжения, переключения и т. д.

Лавинный транзистор

Лавинный транзистор предназначен для работы в ре­ жиме лавинного умножения тока в коллекторном переходе в схе­ мах переключения и генерирования импульсов. Его вольтамперная характеристика имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления. В качестве лавинного можно использовать обычный плоскостной транзистор, работающий в предпробивной области ре­ жима лавинного умножения тока коллектора в результате ударной ионизации. Для создания такого режима удельное сопротивление материала должно быть достаточно высоким (порядка 10— ІО-1 Ом-см), а переход — широким во избежание туннельного пробоя.

Чтобы получить на характеристике участок с отрицательным со­ противлением, вывод базы транзистора нужно соединять с выводом эмиттера через резистор R (рис. 2.100). В этих случаях при малых токах эмиттера /э, когда со­ противление эмиттерного пе­ рехода велико, можно счи­ тать, что переход практиче­ ски зашунтирован резисто­

ром R, ів коллекторной .цепи протекает начальный кол­ лекторный ток / к0 (участок I на характеристике). Наобо­ рот, при больших токах эмиттера, когда сопротивле­ ние эмиттерного перехода становится гораздо меньше

2Э1

3 г л а в а

МИНИАТЮРИЗАЦИЯ И МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ.

ОСНОВЫ микроэлектроники

3.1.ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Все более ■усложняющиеся задачи' управления требу­

ют сложных радиоэлектронных систем (электронных цифровых вычислительных машин, устройств сбора, хранения и переработки информации и т. д.), содержащих сотни тысяч и даже миллионы активных и пассивных элементов. Создать такие надежно рабо­ тающие системы из обычных элементов — ламп, транзисторов и т. д. — не представляется возможным. Система, состоящая из мил­ лионов обычных элементов, будет иметь огромный объем и массу и потреблять большую мощность. Если каждый элемент выходит из строя через миллион часов, то система, состоящая из миллиона элементов, в среднем через час окажется неработоспособной. Та­ ким образом, главнейшим препятствием на пути развития радио­ электроники является проблема преодоления «тирании коли­ честв» — непрерывно растущего числа дискретных элементов и со­ единений, необходимых для выполнения усложняющихся функ­ ций систем.

Решить эту проблему позволит микроэлектроника — новое на­ учно-техническое направление электроники, которое с помощью сложного комплекса физических, химических, схемо-технических, технологических и других методов и приемов дает возможность создавать высоконадежные, экономичные микроминиатюрные элек­ тронные схемы и узлы.

Уменьшить габариты и массу электронных приборов и уст­ ройств помогает их миниатюризация. Значительное уменьшение габаритов узлов потому принципиально возможно, что рабочий объем занимает малую долю объема элемента. Так, активный эле­ мент транзистора — кристалл полупроводника занимает примерно 0,1 объема готового изделия, а пленка углеродистого резистора— 0,002 его полного объема; остальное же приходится на конструк­ ционный материал и выводы.

Плотность монтажа, измеряемая числом элементов в единице объема, при снижении доли конструкционного материала и соеди-

233

нительных проводов увеличивается, что существенно уменьшает объем устройств. Увеличению плотности монтажа препятствует вы­ деляемое при работе устройства тепло, которое должно рассеяться на его поверхности за счет конвекции. Иначе элементы, находящие­ ся в глубине устройства, недопустимо перегреются и выйдут из строя. Поэтому для увеличения плотности монтажа необходимо создание приборов и устройств, работающих на микротоках и по­ требляющих мощность порядка единиц микроватт. Плотность мон­ тажа, определяемая числом деталей в одном кубическом санти­ метре, составляет для ламповых схем 0,01—0,1; для транзистор­ ных— 0;1—0,5; для модулей — 0,5—5,0; для микромодулей— 10— 20; для гибридных микросхем — 50—/10.0; для интегральных микро­ схем — 100—300 и, наконец, для молекулярных>|10 000.

ных ламп при одновременном улучшении их параметров. Появились

. находится обычный подогре­ ватель. Сетки (3 — управляющая, 4 — экранирующая) имеют 60— 70 вертикальных проволочек из никелированного молибдена, рав­ номерно расположенных по окружности и приваренных к соответ­ ствующим юбкам. Анод 5 — металлический цилиндр, закрывающий остальные электроды в триодах, как правило, соединяется с соот­ ветствующей юбкой и выводится на керамическое основание. В тет­ родах анод составляет часть металлического баллона, изолирован­ ного от остальной его части 6 керамическим кольцом 7. Металли-

234

ческий баллон, обеспечивающий надежное заземление и хороший теплоотвод, имеет направляющие выступы 8 для правильной уста­ новки лампы в панельку.

Производство нувисторов полностью автоматизировано, и поэто­ му они имеют небольшой разброс электрических параметров. Ма­ лые размеры, высокие электрические параметры (5>'Ю мА/В,

реватель

Г>'150 МГц) и низкий уровень шумов этих ламп, а также возмож­ ность их использования в лампово-транзисторнььх схемах позволя­ ют конструировать малогабаритную высококачественную аппа­ ратуру.

Термоэлектронный микромодуль — штабельная цилиндриче­ ская конструкция, выполняющая функции определенной радиотех­ нической цепи. Элементы микромодуля, включая электронные дио­ ды и триоды, изготавливают в виде дисков или колец диаметром 8 мм из керамики, титана и углерода и собирают в цилиндричес­ кий столбик. В цилиндре создают вакуум и спекают его в моно­

235

крытый оксидом, накладывают изолирующее керамическое кольцо. Затем устанавливают сетку в виде перфорированного титанового' диска и второе изолирующее кольцо, которое закрывают титано­ вым диском — анодом. Если вместо сетки установить анод, полу­ чим диод. Такие лампы не имеют накала. Для включения их про­ гревают до температуры 500—600°С, после чего эта температура поддерживается за счет тепла, выделяемого в активных и пассив­ ных элементах микромодуля.

Резисторы изготавливают путем нанесения на изолирующие кольца пленок. Конденсаторы — металлические диски, разделенные синтетической слюдой. -При сборке микромодуля многие детали могут быть общими для соседних элементов и поэтому число внеш­ них соединений оказывается небольшим. .Плотность монтажа в та­ ких схемах порядка 15 элементов .на 1 см3 На рис. 3.3а показан

Рнс. 3.3. Термоионный мнкромодуль: а) конструкция; б) схема

микромодуль, выполняющий функции триггера, а на рис. 3.36 — его электрическая схема. Набор схем ограничен из-за трудности получения больших номиналов емкостей и индуктивностей.

совершенствования технологии изготовления транзисторов их га­ бариты уменьшаются, а надежность увеличивается. Объем, зани­ маемый транзистором, сократился в в раз, а в бескорпусном ис­ полнении (рис. 3.4)— до 1100 раз по сравнению с первоначаль­ ными конструкциями. Дальнейшее существенное уменьшение габа­ ритов транзисторов затруднит их монтаж.

При миниатюризации устройств применяют транзисторы и ми­ ниатюрные детали, а соединения выполняют печатным монтажом. Примером миниатюризации могут служить плоские (рис. 3.5а) и

236

расположенных параллельно друг дру­ гу и соединенных электрически и механически с помощью двух пе­

чатных плат. Конструкцию заливают компаундом (рис. 3.5в), что повышает ее надежность. Применяют также сварные модули —

Рис. 3.5. Конструкции модулей:

а) плоского; б) этажерочного; в) колончатого

разновидность колончатых модулем, у которых для соединения де­ талей вместо печатных плат и пайки используются объемные про­ водники и сварка.

При микроминиатюризации устройств применяют дискретные специально изготовленные радиодетали — микроэлементы, которые монтируют на платах определенной стандартной формы (микро­ платах), или наносят на них другими способами. Примером мик­

237

Микроплата предназначена для размещения на ней навесных или печатных радиодеталей или соединительных проводников. Она имеет стандартную прямоугольную форму с тремя металлизиро­ ванными пазами в каждой стороне квадрата (рис. 3.6а). Для со-

Рис. 3.6. Плата микромодуля:

а) конструкция; б) подключение диодов

единения микроплат в микромодуль их располагают друг за дру­ гом и закладывают в пазы провод, который пайкой соединяют с микроплатой. Микромодуль принимает вид этажерки (рис. 3.56); его герметизируют эпоксидной смолой.

Сборка микромодулей автоматизирована. Для правильной сборки микроплаты снабжены ключом /Сі (рис. 3.6а), относительно которого пронумерованы выводы. Микроплаты изготавливают пу­ тем прессования, горячего литья керамического материала или фо­ тохимическим методом. Толщина платы зависит от ее назначения

именяется в пределах 0,35—<1,0 мм. Активный элемент размещают

вспециальном отверстии микроплаты, а выводы от него присоеди­ няют к пазам, например, как показано на рис. 3.66 для строенно­ го диода. Пассивные элементы наносят на микроплату методом вжигания или вакуумного напыления.

Таблеточные микромодули выполняют из деталей специальной цилиндрической формы. Их устанавливают в отверстия печатной платы, соединяют друг с другом с помощью печатного монтажа и затем герметизируют.

Микромодули в какой-то мере решили задачу миниатюризации

испособствовали автоматизации сборки устройств. Однако их на­ дежность существенно не изменилась, поскольку они все же соби­ раются из отдельных элементов и имеется большое число внешних соединений.

238'

ем. Микросхемой считают микроэлектронное изделие, имеющее эк­ вивалентную плотность монтажа не менее пяти элементов в 1 см3 объема, занимаемого схемой и рассматриваемое как единое кон­ структивное целое.

Интегральная электроника является качественным понятием, отражающим новые методы создания электронных устройств. Со­ здание отдельных элементов (диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов и т. д.) и функциональных узлов (усилителей, генера­ торов, триггеров и т. д.), а также соединений между ними совмеще­ но (проинтегрировано) в пределах общих технологических процес­ сов. Интегральная микросхема — микросхема, все или часть эле­ ментов которой нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что она рассматривается как единое целое. По применяемой технологии изготовления различают полупроводнико­ вые, пленочные и гибридные интегральные микросхемы.

Полупроводниковая интегральная микросхема — интегральная микросхема, элементы которой выполнены в объеме и (или) на по­ верхности полупроводникового материала. Такие схемы изготавли­ вают в большинстве случаев методами планарной и эпитаксиаль­ ной технологии, позволяющей сформировать в кристалле р-п-пере- ходы и образовать схему, содержащую как активные, так и пассив­ ные элементы. Чаще всего основой этих схем является монокри­ сталл кремния. Активными элементами здесь служат диоды, тран­ зисторы, полевые и МОП-транзисторы, сформированные в подлож­ ке общей технологии с пассивными элементами.

Диоды в интегральных схемах можно создать любого типа, од­ нако желательно применять диоды, эквивалентные переходу кол­

Кремний, р-типа

Рис. 3.7. Структуры диодов:

а) эквивалентного переходу коллектор—база; б) эквивалентного переходу эмиттер—база

эквивалентные переходу эмиттер—база (рис. 3.76). Структура транзисторов интегральных схем показана на рис. 3.8. :В конструк­ ции рис. 3.8ѳ для уменьшения сопротивления области коллектора

239