2413

существование положительного знака напряжения только в течение полупериода колебания Т2 ( t ) .

Рис.132

Двухполупериодное выпрямление входного переменного напряжения u1 u1( t) обеспечиваетмостоваясхемаиздиодовизображённаянаРис.132

б) вместе с графиком напряжения u2 u2 ( t)). Согласно графику напряжения положительный знак напряжения u2 u2 ( t) наблюдается в

течение интервала времени равного двум полупериодам колебания 2Т2 Т

( t ) .

Для сглаживания (уменьшения пульсаций) выпрямленного напряжения применяют электрические цепи названные фильтрами. В состав фильтра входят резисторы R и реактивные элементы (электроёмкость С и

индуктивность L). Сопротивления реактивных элементов xC 1C и

xL L зависят от частоты переменного напряжения. Примерные схемы фильтров показаны на рис.133.

Рис.133

231

Полупроводниковые триоды (транзисторы) – это трёхполюсные элементы электрических цепей, содержашие два р n – перехода. Схемы

плоскостных р n p и n p n тразисторов с указанием названий трёх

областей проводимости (эммитер, база, коллектор) представлены на

(рис.134, а, б).

Рис.134

Два р n -перехода (эмиттер – база и коллектор – база) транзисторов

обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления постоянных и переменных электрических напряжений изменяющихся по гармоническому и ангармоническому (пилообразному, импульсному и др.) законам.

Усилитель – это линейное устройство, увеличивающее мощность (напряжение, ток) входного сигнала за счет энергии внешних постоянных источников электрического напряжения. Функцию усилительных элементов выполняют полупроводниковых приборы, электронные лампы и др.

Приборы, предназначенные для этих целей, получили название усилителей на полупроводниковых триодах (транзисторах). По конструкции транзисторы делятся на точечные и плоскостные. Плоскостные транзисторы обладают большей мощностью. По расположению проводящих областей транзисторы подраделяют на типы: р n p или n p n .

Рассмотрим для примера транзистор типа р n p (рис.135).

Рис.135

232

Его рабочие «электроды», которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов металлических проводников.

Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении от источника напряжения UЭ , а между

базой и коллектором – постоянное смещающее напряжение в обратном направлении U К .

Усиливаемое переменное напряжение Uвх Umвх cos( t 0вх) подво-

дится на входную цепь в виде последовательно соединенённой ёмкостью С и входного сопротивлениея Rвх , а усиленное перменное напряжение

Uвых Umвых cos( t 0вых) – снимается с выходного сопротивления Rвых .

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается «впрыскиванием» – инжекцией – в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора.

Здесь дырки захватываются полем» действующим внутри (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), вследствие этого изменяется ток коллектора.

Следовательно, всякое изменение тока основных носителей заряда (дырок) во входной цепи «эмиттер – база» вызывает изменение тока неосновных носителей заряда (электронов) в выходной цепи «база – коллектор».

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение гармонической формы Uвх Umвх cos( t 0вх) , в цепи коллектора возни-

кает переменный ток гармонической формы IК ImК cos( t 0К ) , а на выходномсопротивлении переменноенапряжение Uвых Umвых cos( t 0вых) .

Коэффициент усиления переменного напряжения оценивается отношением амплитуд выходного и входного переменного напряжения из уравнения

k Umвых .

Umвх

Величина коэффициента усиления зависит от свойств р n – нагрузочных сопротивлений Rвх , Rвых и от величины постоянных напряжений UЭ и U К . Обычно Rвых Rвх поэтому амплитуда выходного переменного напряжения Uвых Umвых cos( t 0вых) значительно превышает амплитуду переменного входное напряжения Uвх Umвх cos( t 0вх) . Коэффициент

усиления может достигать значений k 104 .

233

Усилитель работающий при k 1 выполняет функцию повторителя электричского напряжения обладающего большим входным сопротивлением переменным токам частоты и малым выходным сопротивлением

Rвх Rвых .

Мощность переменного тока в выходной (коллекторной) цепи усилителя Rвых превышает мощность расходуемую во входной (эмиттерной)

цепи. Поэтому транзистор выполняет функцию усилителя мощности гармонических колебаний тока.

Кроме этого, если в схему транзисторного усилителя добавить электрическую цепь подводящую часть выходного электрического напряжения на его вход ( RC – цепь обратной связи), то можно обеспечить условия для превращения усилителей переменного электрического напряжения в генераторы переменных электрических напряжений (т.е. в источники электрических напряжений).

Таким образом пассивные четырёхполюсные нелинейные полупроводниковые элементы типа р n р или n р n превращаются в активные

элементы цепи ( источники постоянного или переменного напряжения) при наличии RC -цепей обратной связи.

На практике применяют составные биполярные транзисторы, представляющие собой комбинацию из двух каскадно включённых n р n тран-

зисторов. Составной транзистор имеет три вывода, эквивалентные эмиттеру, базеиколлекторуипоэтомуегоможнорассматриватькакединый транзистор, обладающий определёнными параметрами.

Кроме биполярных транзисторов широкое применение на практике в получили так называемые трёх полюсные устройства в виде полевых транзисторов. Данные тразисторы имеют три вывода «Сток», «Исток» и «Затвор». Физические процессы передачи электрических сигналов в полевых транзисторах существенно отличаются от биполярных транзисторов. Кроме этого, они обладают высокой температурной стабильностью параметров, большим входным сопротивлением и радиационной стойкостью.

Полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы) имеют широкое применение для преобразования и обработки маломощных непрерывных сигналов и дискретных электрических сигналов напряжения (тока) пилообразной или импульсной формы.

Элементы современной микроэлектроники

Любое техническое, радиотехническое или электронное устройство, состоящее из большого числа полупроводниковых элементов, стремятся модернизировать, сделать его более надежным, потребляющим меньше энергии и малогабаритным.

Тенденции к сокращению размеров, или миниатюризации, электронных устройств и элементов схем возникали и в прошлые годы при

234

использовании электровакуумных ламп и пассивных элементов схем (резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы).

Позднее стали внедрять печатные электрические схемы, которые имели преимущества перед обычными в размерах и, кроме того, позволяли механизировать процесс монтажа схем. Эти тенденции привели к тому, что в начале 50 – х годов удалось создать электронные устройства, в 1 см3 которых в среднем размещалось 0,5 элемента.

Существенным сдвигом в миниатюризации электронных устройств стало внедрение полупроводниковых диодов и триодов, что позволило довести плотность электронных устройств до 2 3 элементов в 1 см3.

Следующим этапом миниатюризации электроники, который развивается и в настоящее время, является создание интегральных схем.

Интегральнаясхемы – этомикроминиатюрноеэлектронноеустройство, укотороговсеэлементы(илиихчасти) нераздельносвязаныконструктивно и соединены между собой электрически.

Различают два основных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковые интегральные схемы изготовляют из особо чистых полупроводников. Для этого путём термической, диффузной и иной обработки изменяют кристаллическую решетку полупроводника так, что отдельные его области становятся различными элементами схемы.

Это позволяет из пластины размером около 1 мм2 создать схему, эквивалентную радиотехническому блоку, состоящему из 100 деталей и более. В качестве резисторов и конденсаторов в интегральных схемах обычно используют p - n-переходы.

На рис.136 показана одна из полупроводниковых интегральных схем: а – поперечное сечение схемы; б – принципиальная электрическая схема. Разная штриховка изображает различные полупроводниковые или проводящие материалы или материалы с разными примесями (А – конденсатор, Б – полупроводниковый триод, В – резистор, 1 5 – соответствующие выводы схемы).

Рис.136

Пленочные интегральные схемы изготовляют путем осаждения различных материалов в вакууме на соответствующие подложки.

235

Используют также гибридные интегральные схемы – сочетание полупроводниковых и пленочных схем.

Структуры полупроводниковой и гибридной ИМС изображены на рис.137, дие, где1, 2, 3 – выводы. ГибриднаяИМС, показаннаянарис. 137, е, содержит нанесённые на стеклянную или керамическую подложку, пленочные проводники, пленочный резистор и конденсатор, а также диод и транзистор в бескорпусном исполнении.

Рис.137

Размеры отдельных элементов интегральных схем порядка 0,5 10 мкм. Поэтому малейшие пылинки, соринки и т.п. могут повлиять на их работу. Это обязывает изготовление интегральных схем проводить в условиях повышенной чистоты окружающей среды.

Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов, получили название больших интегральных схем (БИС).

Важным полупроводниковым прибором в информационной технике является микропроцессор (МП).

Микропроцессор (МП) – это программно-управляемоеустройство. Оно предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки.

МП выполняется в виде одной (или нескольких) интегральной микросхемы (БИС) с высокой степенью интеграции электронных элементов.

236

Первый МП был выпущен фирмой Intel с 40 двусторонними выводами. Схема выводов МП КР580 ВМ80А (аналог 1п1е1 8080) показана на рис.138.

Рис.138

Микропроцессор обрабатывает двоичные данные при помощи набора команд, поступающих в двоичном коде. Двоичная система счисления или система с основанием 2 использует только две цифры – 0 и 1. Эти двоичные цифры названы битами.

В цифровых электронных системах бит 0 представляет собой низкое напряжение, бит 1 – высокое напряжение. Двоичная система счисления,

как и десятичная, является позиционной. Это связано с тем, что занимаемое цифрой место в определенной записи последовательности цифр определяет ее "вес".

Крайний справа бит единицы двоичного числа 1011 называется младшим битом (младший разряд), крайний слева бит восьмерки (23) двоичного числа 1011 называется старшим битом (старший разряд).

Микропроцессор «работает» со словами, каждое из которых состоит из 8 битов и называется байтом.

Применение двоичной системы счисления позволяет существенно упростить вычисления. При этом в качестве элементов, осуществляющих такие вычисления, могут быть взяты любые физические элементы, которые имеют два устойчивых состояния.

Информация к МП и от него передаётся по группам параллельных проводов. По каждому из этих проводов может поступать высокое или низкое напряжение, что соответствует 1 или 0 бита информации. Такие группы проводов называются шинами. Обычно шина состоит из 8 или 16 проводов.

237

Микропроцессорвыполняетопределенныеоперации, которыесоставляют его систему команд. В систему команд входят команды передачи данных, командыарифметическихилогическихопераций, командыветвления, атакже команды операций ввода – вывода данных. Каждая из команд имеет свой код операции КОП – 8-разрядныйдвоичныйкод (первый байт команды).

Команды передачи данных выполняют передачу данных из регистра в регистр, размещение данных в памяти, размещение извлеченных из памяти данных в устройстве ввода-вывода.

Команды арифметических и логических операций содержат команды сложения, вычитания, сравнения, логического сложения и умножения, логического отрицания (сдвига), а также другие команды более сложных арифметических и логических операций.

Команды ветвления иногда называют командами перехода или командами передачи управления. По этим командам изменяется обычный (последовательный) порядоквыполнениякоманд микроЭВМвзависимости отвыполненияопределенных условий – и в этом случаеэто команды условного перехода, либо вне зависимости от каких бы то ни было условий – и в этом случае это команды безусловного перехода. Таким образом, команды ветвления являются средством изменения нормальной последовательности выполнения программы.

По командам операций ввода-вывода осуществляется передача информации к внешним устройствам или от внешних устройств.

Упрощенная функциональная схема типового микропроцессора приведена на рис.139.

Рис.139

238

Из схемы видно, что микропроцессор содержит:

Регистр команд – 8-разрядный регистр, содержащий первый байт команды (КОП). Регистр – это устройство, которое предназначено для запоминания информации.

Дешифратор команд производит расшифровку (декодирование) содержимого регистра команд. Дешифратор команд определяет, что должен выполнить МП в данный момент.

Микропроцессор является центральным элементом микроЭВМ –

центральным процессором (ЦП)

Компоненты микроЭВМ связаны друг с другом шинами данных, адреса и управления. Синхронизация работы отдельных блоков микро-ЭВМ осуществляетсяприпомощигенераторатактовыхимпульсов(ГТИ), задающего темп работы МП.

Создание интегральных схем, миниатюризация электронных устройств являются одним из главных направлений развития современной электроники.

Контрольные вопросы

1.В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?

2.Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле?

3.Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?

4.Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?

5.Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?

6.Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?

7.Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?

8.Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.

9.Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?

10.Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?

11.Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?

12.Каковыпозоннойтеориимеханизмывозникновенияфлуоресценции

ифосфоресценции?

13.В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?

239

14.В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?

15.При каких условиях возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n-типа? с полупроводником p-типа? Объясните механизм его образования.

16.Как объяснить одностороннюю проводимость p-n-перехода?

17.Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.

18.Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?

19.Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

20.Что из себя представляют транзисторы и для какой цели они используются?

21.Что такое интегральная микросхема (ИМС)? Перечислите полупроводниковые элементы, из которых они состоят.

22.Что такое БИС?

23.По какой причине в цифровых устройствах применяется двоичная система счисления? Как технически реализуются состояния нуль «0» и единица «1»?

24.Что такое микропроцессор (МП) ? Какие операции он выполняет?

25.Перечислите составные части функциональной схемы типового микропроцессора.

240