39. Элементы физики полупроводников.

Элементы физики полупроводников. Полупроводниковые диоды. Движение свободных носителей заряда в полупроводниках — диффузия и дрейф. Урав­нение непрерывности. Электронно-дырочные переходы и их характеристи­ки. Барьерная и диффузионная емкости. ПП диоды. Контакт металл-полу­проводник. Диоды Шоттки. Быстродействие ПП диодов.

40. Полупроводниковые диоды, тиристоры, транзисторы, микросхемы, электронно-оптические приборы.

12.1. Электровакуумные приборыПринцип работы электровакуумных приборов основан на явлении тер­моэлектронной эмиссии. Электровакуумные приборы условно можно разде­лить на электронно-управляемые, газоразрядные и электронно-оптические¹. В электронно-управляемых приборах – лампах – проводимость обуслов­лена только свободными электронами, возникающими за счет эмиссии. Лампа представляет собой стеклянный или металлический баллон, в котором созда­ется вакуум. В баллон помещают положительный электрод (катод) и отрица­тельный электрод (анод). Кроме того, в лампе могут быть один или несколько управляющих электродов (сеток). Катод нагревают до температуры, при кото­рой свободные электроны покидают металл катода и перемещаются в вакууме к аноду. Число электронов, следовательно, и ток, проходящий через прибор, можно регулировать, изменяя электрический потенциал на управляющих элек­тродах. Электронные лампы используются в электронных приборах для выпрям­ления переменного тока, усиления сигналов и т.д. В газоразрядных приборах проводимость обеспечивается в основном на­личием в баллоне какого-либо инертного газа. При воздействии на прибор раз­личных внешних факторов – электромагнитного поля, температуры, светового потока – газ ионизируется (появляются, кроме электронов, положительно и отрицательно заряженные ионы) и в газовой среде возникает электрический разряд. Газоразрядные лампы используют в качестве различных электронных индикаторов и указателей.^ 12.2. Полупроводниковые приборы12.2.1. Элементы физики полупроводниковК полупроводникам относятся твердые вещества (чаще всего – кристал­лические), электропроводность которых, как и в проводниках, связана с пере­мещением электронов, но значительно меньше электропроводности проводни­ков. По электропроводности полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Под влиянием различных причин их элек­тропроводность может изменяться в очень широких пределах.Полупроводникамиявляются химические элементы (германий, кремний, теллур, селен и др.), окислы металлов, сернистые соединения (сульфиды), со­единения с селеном (соленоиды), а также сплавы некоторых металлов. Упрощенная схема структуры кристалла четы­рехвалентного элемента (например, гер­мания) показана на рис. 12.1. Четыре элек­трона внешней электронной оболочки каж­дого атома участвуют в связях с четырьмя соседними атомами. Поскольку все валентные электроны заняты в междуатомных связях, то в веществе не оказывается свободных элек­тронов, которые могли бы перемешаться для образования тока.Рис. 12.1 Та­кое вещество не проводит электрического тока, т.е. ведет себя как изолятор. Во многих случаях электропроводность можно создать усилением тепло­вых колебаний с помощью нагрева. Тогда отдельные валентные электроны могут разрывать свои связи с атомами вещества. Вырвавшийся из междуатом­ной связи электрон, нарушает равновесие электрических зарядов – в элементе кристаллической решетки создается недостаток отрицательного заряда. «Пус­тое место», образующееся в результате выхода электрона, получившее название «дырки», соответствует, таким образом, положительному заряду. Схематическое изображение этого состояния показало на рис. 12.1, где дырки отмечены буквами Д. Освободившиеся электроны движутся в участках кристаллической решетки, в которых дырки отсутствуют. При сближении с дыркой они могут заполнять недостающую связь, после чего восстанав­ливается равновесное электрическое состояние. Этот процесс называетсяре­комбинацией. Если приложить к кристаллу электродвижущую силу и создать таким об­разом электрическое поле, то свободные электроны будут отталкиваться отри­цательным полюсом источника электродвижущей силы и притягиваться к по­ложительному. Перемещаясь в направлении электрического поля, эти элек­троны будут участвовать в создании тока. В свою очередь, наличие дырок также создает возможность для прохождения тока. Качественная картина электропроводности в этом случае может быть пояснена схемой (рис. 12.2), где для наглядности действительная структура из атомов, взаимно связанных через валентные электроны, условно заменена про­стой цепочкой из атомов. При отсутствии свободных электронов и дырок (рис. 12.2 а) электриче­ский ток в цепи отсутствует. В случае наличия дырок притяжение со стороны нескомпенсированных положительных зарядов действует на электроны сосед­них нейтральных атомов и способствует вырыванию их из связей, в которых они участвуют. В процессе теплового движения атомов и при наличии указан­ного дополнительного воздействия возможно высвобождение электронов из соседних элементов кристаллической решетки. При этом электроны могут пе­реходить в недостающие связи, например, как это показано стрелкой на рис.12.2 б. При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок происходит беспорядочно. Схемы (рис. 12.2 б–г) поясняют картину явлений при наличии электриче­ского поля, созданного приложенной извне электродвижущей силой. В этом случае на электроны действует дополнительное напряжение, направленное к положительному полюсу эдс. В результате переход электронов упорядочивается и при данной полярности ЭДС происходит в направлении «плюса», как это показано стрелкой на рис. 12.2 б. После перехода электрона дырка Д оказывается правее своего первоначального положения (рис. 12.2 в). Аналогично происходят и дальнейшие переходы электронов, причем дырка постепенно перемещаются вправо (рис. 12.2 г). Нетрудно видеть, что ток в цепи в этом случае по-прежнему связан с движением электронов, однако это движение проявляется в изменении положения положительных зарядов (т. е. мест, в которых недостает электрона).Рис. 12.2 В реальных условиях полный ток в чистом полупроводнике связан с одновременным перемещением свободных электронов и дырок. В полупроводниках, в отличие от диэлектриков, количество свободных носителей электрических зарядов, т.е. электронов и дырок, оказывается сравнительно большим уже при комнатной температуре. Однако оно неизмеримо меньше количества свободных электронов в металле. Поэтому ток в электрической цепи, содержащей полупроводник, зависит от количества свободных носителей зарядов. Благодаря сильной зависимости количества свободных носителей электрического заряда от температуры, температурный коэффициент сопротивления полупроводника оказывается значительно больше, чем температурный коэффициент сопротивления металла. При изменении тока в электрической цепи, содержащей полупроводник, изменяется и сопротивление этой цепи. Причина этого заключается в следующем. Увеличение тока связано с увеличением количества движущихся в полупроводнике электронов. Эти электроны, отдавая часть своей энергии атомам вещества, вызывают увеличение числа высвобождающихся из междуатомных связей электронов, т.е. увеличение количества свободных электронов и дырок. Сопротивление цепи при этом уменьшается. Ток, проходя по стержню из полупроводника, нагревает его, а нагревание увеличивает электропроводность. В результате сопротивление полупроводникового элемента резко изменяется с изменением тока, и падение напряжения оказывается не прямо пропорциональным току, как это имеет место в обычной цепи с постоянным сопротивлением, а зависящим от него по другому, более сложному закону. При освещении полупроводника энергия света, передаваясь электронам, вызывает усиленное высвобождение их из связей с атомами, что при наличии электродвижущей силы так же, как и нагревание, ведет к увеличению тока в полупроводнике. Это явление называетсяфотопроводимостью. На электропроводность влияют и излучения, связанные с радиоактивным распадом. Принцип действия многих полупроводниковых приборов основан на получении в полупроводнике электропроводности, связанной с присутствием свободных носителей электрического заряда какого-либо одного типа: только электронов или только дырок. Такая электропроводность может быть получена добавлением в кристалл полупроводника примесей других элементов (фосфора, сурьмы, мышьяка, бора, алюминия, индия). Получаемая при этом электропроводность, называемая часто примесной, может быть значительно большей, чем электропроводность чистого полупроводника, называемая собственной. Если, например, в кристаллической решетке один из атомов заменен примесным атомом, имеющим на один валентный электрон больше, чем соседние атомы основного полупроводника, то «лишний» электрон не участвует в валентных связях с соседними атомами и может сравнительно легко оторваться от своего атома. В этом случае ионизация примесного атома приводит к образованию свободного электрона, участвующего в электронной электропроводности. Такая примесь называетсядонорной. Положительный местный заряд, возникающий после потери электрона нейтральным атомом примеси, неподвижен и не участвует в электропроводности. Если, наоборот, примесный атом имеет на один валентный электрон меньше, чем атомы основного вещества, то при ионизации он может захватывать и сравнительно прочно связывать электрон соседнего атома, что приводит к образованию дырки. Такая примесь называетсяакцепторной. Ток в полупроводнике в этом случае связан главным образом с перемещением не избыточных электронов, а дырок, т. е. возникает дырочная электропроводность. Поскольку в первом случае свободные носители зарядов отрицательны (negative), а во втором – положительны (positive), электронная электропроводность обычно обозначается буквойn, а дырочная – буквойp. Если при нормальной температуре примесная электропроводность преобладает над собственной, то при повышении температуры быстро возрастающая собственная электропроводность начинает играть главную роль, т.е. прохождение тока оказывается связанным с перемещением зарядов обоих типов, а не только электронов или только дырок. Одной из особенностей полупроводников, обладающих примесной электропроводностью, является возможность получения сравнительно большой электродвижущей силы Холла. Сущность эффекта Холла состоит в отклонении подвижных носителей электрического заряда магнитным полем в направлении, перпендикулярном направлению тока и магнитному полю. Известно, что действие магнитного поля на провод с током вызывает движение провода. Если провод неподвижен, то в направлении его предполагаемого движения смещаются внутри него носители электрического заряда, которые образует ток. Если носителями заряда являются электроны, то смещение их в одном направлении соответствует отрицательному заряду соответствующего участка провода. С противоположной стороны, где создается недостаток электронов, возникает соответствующий положительный заряд, как это показано на рис. 12.3 а. При дырочном характере электропроводности происходит смещение дырок, т. е. положительных зарядов. Поперечная поляризация в этом случае оказывается противоположной по сравнению с предыдущим случаем (рис. 12.3 б).а) б) Рис. 12.3 При наличии в полупроводнике смешанной электропроводности (электронной и дырочной) смещение этих разнотипных носителей заряда при действии магнитного поля привело бы к появлению разности потенциалов только при неодинаковом количестве свободных электронов и дырок. При этом поперечная разность потенциалов оказывается малой. Отрицательный суммарный заряд смещенных электронов компенсируется положительным суммарным зарядом смещенных дырок. Если магнитное поле действует на полупроводник с примесной электропроводностью одного типа (электронной или дырочной), то взаимная компенсация зарядов не возникает. В этом случае поперечная разность потенциалов может получаться сравнительно большой. Поперечная электродвижущая сила, обусловленная эффектом Холла, прямо пропорциональна произведению тока на напряженность магнитного поля и зависит от концентрации свободных носителей заряда. Она может значительно превышать электродвижущую силу Холла в металлах при том же токе и той же напряженности магнитного поля. Введением примесей в различные участки кристалла полупроводника в нем можно получить зоны с различной электропроводностью. Полупроводники, с чередующимися участками электронной и дырочной электропроводности, наиболее часто применяют в современной техники. Такими свойствами обусловлено, например, выпрямительное действие электронно-дырочного перехода.^ 12.2.2. Полупроводниковые диодыВ пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу, и при их встрече происходит рекомбинация. В цепи, таким образом, протекает ток (рис. 12.4 а). Если изменить направление тока на обратное (рис.12.4 б), то изменится и направление движения дырок и электронов. Носители зарядов при этом не приближаются к граничной поверхности полупроводников, а удаляются от нее.а) б) Рис. 12.4 В результате в пограничной области образуется слой, лишенный свободных носителей зарядов. Постоянный ток через этот слой проходить не может. В реальных условиях очень малый ток проходит через этот слой вследствие наличия в полупроводнике, наряду с примесной, некоторой собственной электропроводности. Однако сопротивление цепи в этом случае (рис. 12.4 б) во много раз больше, чем в предыдущем случае (рис. 12.4 а). Электронно-дырочный, илиp-n, переход представляет собой электрический переход междуpиnзонами полупроводника. Электронный прибор с таким переходом называется полупроводниковымдиодом. Он обладает односторонней проводимостью. Все полупроводниковые диоды по конструктивному исполнению делят на точечные и плоскостные. Точечный диод состоит из пластины германия или кремния с электропроводностьюn-типа и вплавленной в нее стальной проволочкой (рис. 12.5 а). У точечного диоды линейные размерыp-n - перехода много меньше его толщины. Из-за малой площади контакта пря-а) б) Рис. 12.5 мой ток таких диодов, а также их межэлектродная емкость сравнительно малы, поэтому их используют в основном для выпрямления тока в слаботочных устройствах сверхвысокой частоты. Вольт–амперные характеристики точечных диодов приведены на рис. 12.5 б. В плоскостных диодахp-n - переходобразован двумя полупроводниками с различными токами электропроводности, причем линейные размеры перехода много больше его толщины. Площадь перехода колеблется в широких пределах: от долеймкм²до несколькихсм², поэтому прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Конструкция и вольт-амперные характеристики плоскостных диодов показаны на рис. 12.6 а, б.а) б) Рис.12.6 Основными параметрами диодов являются: прямой максимальный ток диода, прямое напряжение, максимально допустимое обратное напряжение, обратный ток диода.12.2.3. СтабилитроныСтабилитрон представляет собой специальный полупроводниковый диод, напряжение электрического пробоя которого очень слабо зависит от протекающего через него тока. Стабилитрон служит для стабилизации напряжения в различных электронных устройствах (например, блоках питания). Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 12.7. Рис. 12.7 Из характеристики видно, что напряжение стабилизациислабо изменяется при достаточно больших изменениях тока стабилизации. Это свойство стабилитрона используют для получения стабильного напряжения в стабилизаторах напряжения. Одним из основных параметров, учитываемых при выборе стабилитронов, является напряжение стабилизации (пробоя). В справочных данных указывается номинальное напряжение стабилизации для определенного тока. В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации в диапазоне 5…300Ви с допусками на разброс номинального напряжения 5, 10, 15 %. Наличие разброса ограничивает применение некоторых схем включения стабилитронов и приводит иногда к усложнению схем. Напряжение стабилизации зависит также от температуры стабилитрона. Количественно эта зависимость выражается температурным коэффициентом напряжения, представляющим собой отношение изменения напряжения стабилизации к изменению температуры стабилитрона, приведенное к одному вольту, %/°C, (12.1) гдеи– напряжения стабилизации при температурахи. Дополнительными характеристиками стабилитрона являются динамическое сопротивление на участке стабилизации, минимальныйи максимальныйток стабилизации. Параметры схем со стабилитронами выбираются так, чтобы длительный средний ток через них был меньше максимально допустимогоЗначение токаограничено допустимой по тепловому режиму мощностью рассеяния и представляет собой отношение этой мощности к напряжению стабилизации. Кратковременно же стабилитрон способен выдерживать токи, значительно большиеЗначение температурного коэффициента возрастает с увеличением напряжения стабилизации. Поэтому в ряде случаев целесообразно заменить один высоковольтный стабилитрон цепочкой низковольтных, соединенных последовательно. Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично выпрямительным диодам.12.2.4. ТиристорыТиристоры представляют собой кристаллическую структуру из четырех слоев чередующихся электронной и дырочной проводимостей(рис. 12.8) с тремя электродами: анодом А, катодом К и управляющим электродом УЭ, отходящими от слоевp₁,n₂иn₁соответственно (тиристор сN-управля-ющим электродом). Полупроводниковым материалом для изготовления тиристоров является кремний. Напряжениепитания тиристора является обратным напряжением для электронно-дырочного перехода П₂. Соответственно ток(при= 0) тиристора, представляющий собой обратный ток перехода П₂, является прямым током для переходов П₁и П₃. Тиристор имеет релейную проходную характеристику (рис. 12.9). Напряжение питания подается на тиристор таким образом, что переходы П₁и П₃открыты, а П₂закрыт. Вследствие этого ток через тиристор не протекает. Если повышать напряжение, то ток тиристора будет незначительно увеличиваться, пока не достигнет определенного значения.

Рис. 12.8	Рис. 12.9

Происходит лавинообразный пробой внутреннего перехода, ток через тиристор резко возрастает, и тиристор открывается. Напряжение включения может быть снижено, если в слойввести дополнительные носители заряда от независимого источника энергии. В зависимости от тока управления можно получить семейство характеристик тиристора (рис. 12.9). Важными параметрами при выборе тиристора являются ток управленияи максимальное обратное напряжениеТиристоры маркируют буквами и цифрами, например, КУ202Н, 2У202Н, где К- или 2 – кремниевые; У-тиристоры; 202Н – обозначение параметров прибора (мощность, частота, напряжение, ток). Иногда изготовляют тиристоры с симметричной ВАХ. Это достигается встречным соединением двух одинаковых четырехслойных структур или специальных пятислойных структур с четырьмяp-n-переходами. На рис. 12.10 показана структура симметричного тиристора (симистора), предназначенного для работы в цепях переменного тока. Симистор состоит из пяти слоев чередующихся электронной и дырочной Рис. 12.10 проводимостей. Металлические слои М () обеспечивают выключение одного изр-nпереходов (П₃или П₄) в зависимости от направления ЭДС() источника питания. Поэтому при каждом из направлений основного (прямого) тока() функционируют три перехода, как у обычного тиристора. Возможность работы симистора в цепи переменного тока и управления переменным током является важной для практики его применения. Симистор может управляться и постоянным током.12.2.5. ХоллотроныХоллотрон представляет собой магнитно-полупроводниковый прибор, действующий на основе гальваномагнитного эффекта возникновения ЭДС в кристалле проводника или полупроводника, находящемся в магнитном поле, при прохождении по нему электрического тока на основе эффекта Холла. По существу эффект возникновения ЭДС является особым случаем явления электромагнитной индукции. Электродвижущая сила Холла, как и в электромеханическом генераторе, возникает вследствие взаимодействия движущихся электронов с магнитным полем. Разница состоит лишь в том, что электроны проводника обмотки электромеханического генератора перемещаются относительно магнитного поля вместе с проводником за счет механической энергии, а электроны твердого тела, в котором возникает ЭДС Холла, перемещаются в его кристаллической решетке под воздействием электрической энергии. В полупроводнике с электронной проводимостью в виде удлиненной пластинки прямоугольной формы при показанных на рис. 12.11 направлениях токаи магнитного поля, электроны отклоняются на боковую граньаи образуют на ней отрицательный заряд. Противоположная граньбзаряжается положительно. Таким образом, ЭДС Холлаобусловливается пространственно разделенными разноименными зарядами. Как и ЭДС электромеханического генератора, она определяется мгновенным значением магнитной индукции^ В, скоростьюи геометрическими размерами полупроводникаbв направлении ЭДС (длиной проводника обмотки генератора). (12.2) Поскольку концентрация электронов в полупроводнике намного ниже, а подвижность выше, чем у проводников, то ЭДС в полупроводниках получается достаточной для технического использования гальваномагнитного эффекта Холла. Холлотрон (рис. 12.12 а) состоит из магнитопровода 1 с обмоткойwвозбуждения магнитного поля и полупроводникового элемента (пластины) 2 прямоугольной формы (рис.12.12 б), расположенной в воздушном зазоре магнитопровода. Характеристики холлотронов определяются прежде всего свойствами и характеристиками полупроводниковых элементов, которые имеют четыре электрода. Токовые электроды 1 и 2 для создания равномерной плотности тока соприкасаются с пластиной по всей поверхности ее торцевых граней. Электроды Холла 3 и 4, наоборот, выполняются точечными, и располагают их на середине узких боковых граней. Электродвижущая сила Холла зависит от размеров пластины, главным образом от ее толщиныd.Уменьшение отношения длины пластины к ширине снижает ЭДС связи с усиливающимся влиянием токовых электродов, шунтирующих грани, между которыми возникает ЭДС. По мере сниженияа) б)

Рис. 12.12

уменьшается сопротивление пластины между токовыми электродами. Поэтому при сохранении поверхности пластины (условий теплоотдачи) может быть увеличен ток и соответственно ЭДС Холла. При неизменной мощностиоптимальной в отношении значения ЭДС является квадратная пластина. При квадратной форме сопротивленияимежду токовыми электродами и между электродами Холла одинаковы. В целях снижения свойственной полупроводникам зависимости удельного сопротивления от магнитной индукции обычно используются пластины с соотношением= 2. Элементы Холла изготовляются в виде пластин, вырезанных из кристалла, или в виде пленок путем напыления полупроводникового вещества на изоляционную подложку, например, на тонкий слой слюды. На слюду обычно наклеивают и вырезанные из кристаллов пластины. Толщина пластин составляет несколько десятых долей миллиметра, а пленок – микроны. Однако подвижность электронов пленок значительно ниже подвижности электронов кристаллов. Для изготовления холлотронов применяются следующие полупроводниковые вещества: антимонид (InSb) и арсенид (1пSb) индия, германий (Ge), теллурид (HgTe) и селенид (HgSe) ртути. Основными количественными показателями полупроводниковых элементов холлотронов являются: коэффициент чувствительности по ЭДС и коэффициенты преобразования напряжения и мощности.^ 12.2.6. Биполярные транзисторыТранзисторы являются управляемыми полупроводниковыми приборами, обеспечивающими усиление сигналов. По принципам действия их делят на управляемые электрическим током (биполярные) и управляемые электрическим полем (полевые).Рис. 12.13Биполярныйтранзистор представляет собой совокупность двух электронно-дырочных переходов с общейn-областью (илир-областью), взаимодействующих между собой так, что обратный ток одного изр-n – переходов является функцией прямого тока второго перехода (рис. 12.13). В основе указанного взаимодействия лежит явление инжекции – ввода неосновных носителей тока в общую область, например дырок вр-области в общуюn-область. Ввод дырок одной изр-областей в общуюn-область происходит в несимметричномp-n– переходе при прохождении через него прямого тока. Таким образом, действие биполярного транзистора основано на процессе управления концентрациями неосновных носителей тока. Если, например, к левомур-n– переходу подключить источник напряжения, то через первый переход пойдет прямой ток, который вр-области левого перехода будет практически дырочным током. Поток дырок, создающих, вводится (инжектируется) вn-область. Часть инжектированных дырок рекомбенирует вn-области с электронами, поступающими от источникаОднако, большинство дырок, которые вn-области являются неосновными носителями, захватывается электрическим полем правого перехода, создавая ток. Поэтому через правыйр-n– переход проходит в обратном направлении ток, (12.3) где– ток, обусловленный собственными носителями;– ток, обусловленный инжектированными носителями. Таким образом, левыйр-n –переход с прямым током поставляет вn-область неосновные носители тока – эмиттирует и поэтому называетсяэмиттерным. Он является управляющим переходом. Правыйp-n– переход собирает поставленные вn-область неосновные носители тока и называетсяколлекторным. Общаяn-область называется базой. Отходящие от соответствующих областей металлические выводы (электроды) называются эмиттером Э, коллектором К и базой Б биполярного транзистора (рис. 12.14), а токи, проходящие по ним – токами эмиттера, коллектораи базы. База, как указывалось, может иметь электронную и дырочную проводимость. Соответственно различаются биполярные транзисторы типаp-n-pиn-p-n.Рис. 12.14 Биполярный транзистор выполняется из кристалла германия или кремния, в котором путем вплавления, диффузии (или другим технологическим способом) примесей, например, индия, формируются два электронно-дырочных перехода (рис. 12.14). Различают входные и выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора. Входная, или базовая, характеристика – это зависимость между током и напряжением на входе транзистора(рис. 12.15 а). Известны три схемы включения транзисторов: 1) с общей базой (рис. 12.16 а) – используют в устройствах для усиления напряжения и мощности; 2) с общим эмиттером (рис. 12.16 б) – применяют для усиления мощности; 3) с общим коллектором (рис. 12.16 в) – схема обладает большим выходным сопротивлением, и ее используют в так называемых эмиттерных повторителях для повышения входного сопротивления электронного устройства.а) б) Рис. 12.15а) б) в) Рис.12.16 Биполярные транзисторы обозначают буквами ГТ (германиевые) и КТ (кремниевые) с цифрами, характеризующими параметры транзистора. Основные электрические параметры транзистора следующие:,– ток базы и ток коллектора соответственно,– напряжение между базой и эмиттером,– напряжение между коллектором и эмиттером. Кроме этих параметров для расчета и анализа устройств с биполярными транзисторами используются так называемыеh-параметры:– входное сопротивление транзистора,– коэффициент обратной связи по напряжению,– коэффициент передачи по току (характеризует усилительные свойства транзистора),– характеризует выходную проводимость.^ 12.2.7. Полевые транзисторыПолевые транзисторы разделяют на униполярные (с однимp-n - переходом) и полевые с изолированным затвором (безp-n - перехода) или со структурой МДП (металл – диэлектрик – полупроводник). Действие полевых транзисторов основано на процессах управления основными носителями тока электрическим полем, перпендикулярным направлению их движения в полупроводнике. По способам управления указанные разновидности полевых транзисторов существенно различаются. Униполярный транзистор представляет собой полупроводник с электронно-дырочным переходом, управляемым обратным напряжением. Конструкция и условные обозначения транзистора показаны на рис. 12.17.а) б) в) Рис. 12.17 Вывод З базы (в данном случаер-типа переход) принято называтьзатворомполевого транзистора. Вывод И от канала, из которого при электронном канале (n-типа) ток выходит, называетсяистоком. Второй вывод С называетсястоком. Токи, проходящие по ним, называются токами истокаи стока. Униполярный транзистор выполняется из кристалла кремния или германия, напримерр-типа (подложка), в котором создаются две областиn-типа: исток И и сток С – ир-nпереход, областьnкоторого является каналом. Транзистор с изолированным затвором (металл М), (рис. 12.18) представляет собой полупроводник П с токопроводящим слоем у поверхности соприкосновения с диэлектриком Д, концентрация носителей тока в котором изменяется в функции напряженности электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Токопроводящий канал формируется (индуцируется) из неосновных носителей полупроводника, например из электроновnполупроводника с дырочнойрэлектропроводностью (подложки) и электрическим полем, обусловленным напряжением. В канале электроны являются основными носителями тока. Токопроводящий канал имеет противоположную подложке электропроводность и называется инверсионным слоем полупроводника. Инверсионный слой образуется у поверхности соприкосновения полупроводника с диэлектриком, поскольку электрическое поле сосредоточено практически только в диэлектрике (непроводящем слое). На границе их раздела происходит разрыв вектора напряженности поля, что в соответствии с электромагнитной теорией означает наличие поверхностного заряда. Концентрация носителей тока в канале определяется количеством перемещенных электрическим полем из объема полупроводника электронов и, следовательно зависит от напряженияна затворе. Изменяется, в данном случае увеличивается, при возрастании напряженияи ток стокаI_с, пропорциональный концентрации основных (для канала) носителей. В рассмотренном МДП-транзисторе с индуцированным каналом происходит обогащение канала носителями тока при положительном (каналn-типа) или при отрицательном (р-типа) напряжении. Как и униполярный, МДП-транзистор с индуцированным каналом может управляться напряжением одного знака. Однако образование инверсионного слоя возможно и при отсутствии напряжения на затворе. Поэтому существуют МДП-транзисторы со встроенным каналом. Их особенностью является возможность работы как с обогащением, так и с объединением канала, то есть возможность управления напряжением с изменяющейся полярностью. Истоком МДП-транзистора с каналомn-типа является область полупроводника, подключенная к отрицательному зажиму источника, а каналомр-типа – к положительному. Транзистор со структурой МДП выполняется обычно на полупроводниковом кристалле П, кремния с дырочной проводимостью, в котором создают две областиn-типа – исток И и сток С (рис. 12.19 а). Поверхность кристалла между истоком и стоком покрывают диэлектриком Д – двуокисью кремния, на котором располагается металлический слой М затвора З. Условные графические обозначения транзисторов с изолированным затвором и каналамиn- иp-типов приведены на рис.12.19 б, в.а) б) в) Рис.12.19 Полевые транзисторы, особенно с изолированным затвором, имеют очень большое входное сопротивление и практически не требуют мощности для управления ими. Для действия полевых транзисторов используются основные носители заряда полупроводника. Поскольку концентрация неосновных носителей является функцией внутренней энергии твердого тела (тепловой и др. видов), а концентрация основных носителей практически не зависит от нее, то полевые транзисторы менее подвержены воздействию температуры, радиационного излучения и других факторов, изменяющих внутреннюю энергию твердого тела. Важная особенность полевых транзисторов состоит в возможности их работы при переменном напряженииU_СИ, поскольку при симметричной конструкции исток и сток транзистора одинаковы, т. е. их можно использовать в цепях переменного тока как управляемые резисторы.^ 12.2.8. Интегральные микросхемыПостоянное усложнение схем электронных устройств привело к существенному увеличению количества входящих в них элементов. В связи с этим возникает проблема все большей миниатюризации электронных приборов. Это стало возможным только на базе современного научно-технического направления электроники – микроэлектроники, основным принципом которой является объединение в одном сложном микроэлементе многих простейших – диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др. Эти достаточно сложные элементы обладают высокой надежностью и быстродействием, энергии потребляют мало, а стоят недорого. Такие сложные микроэлементы называют интегральными микросхемами (или просто микросхемами). Внешний вид одной из таких микросхем показан на рис. 12.20.

Рис. 12.20

Рис. 12.21

В зависимости от технологии изготовления микросхемы разделяют на гибридныеиполупроводниковые. Гибридная микросхема представляет собой диэлектрическое основание (стекло, керамика), на которое в виде различных пленок наносят пассивные элементы – резисторы, конденсаторы, соединительные проводники. Для этого используют напыления из золота, серебра, меди. Активные элементы – бескорпусные полупроводниковые приборы – навешивают на диэлектрик. Все это объединяют в одном корпусе с выводами (рис. 12.21). Плотность расположения элементов в гибридной микросхеме может достигать 500шт./см². Основным достоинством гибридных микросхем является высокая точность параметров элементов, входящих в микросхему, например, резисторы, выполненные из пленочного тантала имеют точность не хуже0,5 %. Полупроводниковые микросхемы изготовляют из единого кристалла полупроводника (рис. 12.22), отдельные области которого представляют собой различные активные и пассивные элементы.Рис. 12.22 Элементы полупроводников микросхем получают в едином технологическом процессе. Резисторы, например, получают посредством легирования полупроводника. Сопротивление резистора зависит от размеров данной области полупроводника и его удельного сопротивления. Высокоомные резисторы получают посредством создания эмиттерных повторителей в кристалле. Диоды и транзисторы получают путем избирательного травления исходного кристалла на нанесенной ранее маске и создания изоляционного слоя окиси кремния. Затем напыляют или наращивают слой поликристаллического кремния и после повторного травления в определенные области кристалла с помощью диффузии вводят акцепторные и донорные примеси, то есть получают участки с электропроводностьюр- иn-типа. Для соединения отдельных элементов микросхемы между собой используют золотые и алюминиевые пленки, которые наносят с помощью напыления. Все элементы помещают в металлический или пластмассовый корпус и соединяют с выводами с помощью золотой или алюминиевой проволоки диаметром до 10мкм. Интегральные микросхемы в зависимости от назначения подразделяют на линейно-импульсные и логические и могут иметь в отличие от обычных электронных приборов несколько входных и выходных параметров, которые строго нормируются. Микросхемы представляют собой целые функциональные узлы электронных устройств, например, генераторы, усилители, счетчики импульсов и др.Глава 13. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ^ 13.1. Индикаторные приборыИндикаторные приборы служат для преобразования электрических сигналов в визуально воспринимаемую информацию. В зависимости от назначения индикаторные приборы могут иметь разную степень сложности и базироваться на различных физических принципах. В настоящее время для отображения знаковой информации наибольшее распространение получили электронно-лучевые, вакуумно-люминесцентные, газоразрядные, полупроводниковые и жидкокристаллические индикаторы.^ 13.1.1. Электронно-лучевые индикаторыДействие электронно-лучевых индикаторов основано на управлении сформированным потоком электронов, называемым электронным лучом. Эти приборы позволяют не только регистрировать электрические сигналы в их непрерывном виде (например, в осциллографе), но и получать изображение (в телевидении). Электронно-лучевыми индикаторами комплектуют многие измерительные и диагностические установки и системы визуального наблюдения за технологическими процессами производства.Рис. 13.1 Электронно-лучевой индикатор состоит из электронно-лучевой трубки, представляющей собой вытянутый в направлении луча стеклянный баллон с глубоким вакуумом, внутрь которого помещают источник свободных электронов и различные управляющие электроды. Утолщенная часть трубки, на которой фокусируется луч электронов, называется экраном. Изнутри он покрыт специальным слоем – люминофором, способным светиться при попадании на него электронов. Управление лучом осуществляется специальной электронной схемой с помощью электростатических или магнитных полей. На рис. 13.1 схематично показано устройство электронно-лучевой трубки. Основным элементом электронно-лучевой трубки является прожектор. Он состоит из катода К, представляющего собой металлический стакан, подогреваемый нитью накала Н. Катод по периметру охвачен цилиндрическим модулятором М с осевым отверстием. Модулятор управляет интенсивностью потока электронов, срывающихся с катода. Электроны, прошедшие модулятор, попадают в электрическое поле, создаваемое несколькими анодами (А₁иА₂), ускоряются и фокусируются в тонкий луч. Управление отклонением луча на экране осуществляется с помощью двух пар отклоняющих пластинХиY, которые расположены перпендикулярно друг другу. За счет разности потенциалов пластиныХуправляют лучом в горизонтальном направлении, а пластиныY– в вертикальном. Основными характеристиками электронно-лучевой трубки являются: – послесвечение – время, за которое восстанавливается цвет экрана после прекращения бомбардировки его электронами; – разрешающая способность – минимальный диаметр светового пятна на экране; – чувствительность – отношение отклонения луча к напряжению отклоняющих пластин (по вертикали и по горизонтали).^ 13.1.2. Вакуумно-люминесцентные индикаторыРис. 13.2 Вакуумно-люминесцентный индикатор представляет собой электронную лампу – триод (рис. 13.2), состоящую из накаливаемой током металлической нити – катода 1, металлической сетки 2 и анодов – сегментов 3, покрытых люминофором. Все элементы конструкции размещены в вакуумном стеклянном баллоне с выводами от электродов. Принцип действия индикатора основан на преобразовании кинетической энергии электронов в видимое излучение люминофорного покрытия анодов-сегментов. Электроны, покинувшие катод вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются полем сетки, положительно заряженной относительно катода, частично проходят сквозь сетку и бомбардируют сегменты анода, вызывая их свечение. Подключением анодов-сегментов в определенных комбинациях к источнику положительного напряжения можно получить требуемый светящийся знак. В зависимости от типа люминофорного покрытия анодов-сегментов индикаторы имеют свечение красного или зеленого цвета. Конструкция индикатора может быть как одно-, так и многоразрядной. Вследствие низкого напряжения питания (20...25В) и малой потребляемой мощности вакуумно-люминесцентные индикаторы хорошо сочетаются с интегральными микросхемами. В настоящее время их широко применяют в микрокалькуляторах, измерительных приборах и часах.^ 13.1.3. Газоразрядные индикаторыГазоразрядный индикатор относится к ионным приборам тлеющего разряда и выполняется с холодным катодом. Индикатор имеет два или более электродов, помещенных в стеклянный баллон, заполненный инертным газом при давлении 0,1...10³Па(рис. 13.3).Рис. 13.3 При напряжении между электродами (анодом и катодом), достаточном для лавинообразной ионизации инертного газа движущимися в электрическом поле электронами и выбивания вторичных электронов с катода ускоренными электрическим полем положительными ионами, в пространстве между анодом и катодом возникает тлеющий разряд. Одновременно идет процесс рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов. При этом выделяется энергия в виде фотонов, т.е. газ светится. Цвет свечения определяется составом газа-наполнителя. Ионизация и рекомбинация наиболее интенсивно происходят вблизи катода, где концентрации свободных электронов и ионов максимальны. Поэтому наиболее интенсивное свечение наблюдается в прикатодной области.Рис. 13.4 Простейшие приборы этого типа – сигнальные индикаторы (неоновые лампы). Они представляют собой два металлических электрода, выполненные в виде дисков, стержней или коаксиальных цилиндров и помещенные в стеклянный баллон, заполненный неоном. Устройство сигнального индикатора показано на рис. 13.4. Пространство этих ламп вблизи катода светится оранжево-красным светом, наблюдаемым обычно через торец лампы. Для ограничения тока в неоновых лампах последовательно с ними необходимо включать балластный резистор, который может находиться в цоколе лампы. Напряжение питания сигнальных индикаторов колеблется от 60 до 235^ В, рабочий ток – от 0,15 до 30мА. Неоновые лампы широко используют как сигнальные в устройствах автоматики, вычислительной техники и в приборостроении. Особенно часто их применяют в качестве индикаторов напряжения питания. Знаковые газоразрядные индикаторы – это многокатодные приборы тлеющего разряда, предназначенные для индикации знаков-цифр, букв или математических символов. Катоды могут быть выполнены как в виде соответствующих знаков, так и в виде отдельных элементов этих знаков – сегментов. В первом случае катоды располагаются друг за другом, представляя собой пакет тонких проволочных знаков, а анодом является сетка, не мешающая восприятию знаков (рис. 13.5). Во втором случае изображение буквы, цифры или символа составляется из светящихся сегментов. Например, 13 сегментов знакового индикатора типа ИН-23 позволяют синтезировать цифры от 0 до 9 и все буквы алфавита на одном знакоместе. Условное графическое обозначение индикатора ИН-23 показано на рис.13.6.

	а) б)
Рис. 13.5	Рис. 13.6

Газоразрядные индикаторы отличаются надежностью и простотой конструкции, потребляют мало энергии и позволяют получать высокие яркости и контрастность изображения. Недостатком газоразрядных индикаторов является слрожность их прямого подключения к интегральным микросхемам из-за высокого напряжения питания (100...250 В).^ 13.1.4. Полупроводниковые индикаторыПринцип действия полупроводникового индикатора основан на излучении квантов света при рекомбинации носителей заряда в областир-n– перехода, к которому приложено прямое напряжение. К полупроводниковым индикаторам относится светодиод – полупроводниковый диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из областир-n– перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. Цвет определяется материалом, из которого выполнен светодиод. Выпускают светодиоды красного, желтого и зеленого свечения. П олупроводниковые индикаторы подразделяются на дискретные (точечные), предназначенные для отображения цветной световой точки (рис. 13.7 а), и знаковые – для отображения цифр и букв (рис. 13.7 б). В знаковых сегментных индикаторах каждый сегмент представляет собой отдельный диод. Из 7 сегментов можно синтезировать цифры от 0 до 9 и 12 букв русского алфавита. а) б) в) Рис. 13.7 Существенно большими информативными возможностями обладают полупроводниковые знаковые индикаторы в виде матриц точечных элементов (рис.13.7 в), где 36 элементов матрицы сгруппированы в 5 колонок и 7 рядов (плюс одна светящаяся точка в 7 ряду). Катоды элементов каждого ряда соединены между собой и имеют общий вывод, также как и аноды элементов каждой колонки. Подавая напряжение на выводы выбранных ряда и колонки, можно вызывать свечение заданного элемента матрицы. Матричные элементы позволяют отображать все цифры и буквы русского и латинского алфавитов. На их основе можно создавать буквенно-цифровые дисплеи, в частности, в виде бегущей строки. Полупроводниковые индикаторы работают при прямом напряжении 2...6Ви токе 10...40мАв расчете на сегмент или на точку. Их применяют для индикации в измерительных приборах, системах автоматики и вычислительной техники. Достоинствами полупроводниковых индикаторов являются: возможность их прямого подключения к интегральным микросхемам благодаря низкому рабочему напряжению; большой срок службы; высокая яркость свечения и хороший обзор. Основной их недостаток состоит в сравнительно высокой потребляемой мощности – 0,5…1Втна один сегментный светодиод.^ 13.1.5. Жидкокристаллические индикаторыЖидкокристаллические индикаторы не излучают собственный свет, а только воздействуют на свет, проходящий через индикатор. Поэтому для них необходим внешний источник света. Основу индикаторов этого типа составляют жидкокристаллические вещества, молекулы которых могут поворачиваться под действием электрического поля и вследствие этого изменять прозрачность слоя жидкого кристалла. Индикатор (рис.13.8) представляет собой две стеклянные пластинки 1, между которыми размещен тонкий слой (10...20мкм) жидкого кристалла 2. На внутренние поверхности пластин нанесены тонкопленочные проводящие электроды, причем на верхней пластине электроды выполнены прозрачными, а на нижней электрод – вертикально отражающими свет. Зазор между пластинами и герметичность объема, занятого жидким кристаллом, обеспечиваются изолирующими прокладками. Для подключения управляющего напряжения проводящие электроды снабжены выводами.Рис. 13.8 При отсутствии электрического поля молекулы жидкого кристалла ориентированы вдоль одной оси и образуют прозрачную для света структуру. Падающий на индикатор свет проходит сквозь прозрачный электрод, слой жидкого кристалла и, отразившись от нижнего электрода, возвращается к наблюдателю. В этом случае слой жидкого кристалла выглядит светлым. При подаче управляющего напряжения ориентация молекул жидкого кристалла изменяется, прозрачность слоя уменьшается, и слой жидкого кристалла под прозрачным электродом выглядит темным. Если прозрачные электроды выполнить в виде сегментов, то, создавая напряжение между отражающим электродом и соответствующим сегментом, можно получать темные знаки на светлом фоне. По электрическим параметрам жидкокристаллические индикаторы хорошо согласуются с полупроводниковыми микросхемами, изготовленными по планарной технологии, имеют наименьшую потребляемую мощность среди всех индикаторов (5...50мкВт/см²), а срок их службы достигает 10⁴ч. Промышленность выпускает индикаторы сегментного типа, позволяющие синтезировать цифры, буквы и другие знаки на панелях, содержащих от 1 до 23 знакомест. Жидкокристаллические индикаторы находят широкое применение в часах, микрокалькуляторах и измерительных приборах. Основные их недостатки – необходимость во внешнем источнике света и относительно узкий диапазон рабочих температур (1...50 °С).^ 13.2. Оптоэлектронные приборыОптоэлектронными называют приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические. К оптоэлектронным приборам относят светоизлучающие диоды, оптопары и волоконно-оптические приборы.^ 13.2.1. Светоизлучающие диодыСветоизлучающий диод – это полупроводниковый диод, излучающий энергию в видимой области спектра в результате рекомбинации электронов и дырок. В качестве самостоятельного прибора излучающий диод применяется в световых индикаторах, в которых используется явление излучения светар-nпереходом при прохождении через него прямого тока. Кванты света возникают при рекомбинации инжектируемыхр-nпереходом в базу диода неосновных носителей с основными носителями заряда (явление люминесценции).Рис. 13.9 Устройство светодиода и его условное обозначение показаны на рис. 13.9. Часто светодиод снабжают пластмассовой светорассеивающей линзой. В таком виде его используют в качестве светосигнального индикатора. Яркость его свечения зависит от плотности тока, цвет свечения – от ширины запрещенной зоны и типа полупроводника. Цвета свечения: красный, желтый, зеленый. Так, например, светодиод 2Л101А имеет желтое свечение, яркость – 10кДж/м², ток – 10мА, напряжение – 5В.13.2.2. ОптопарыОптопара (оптрон) – это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и светоприемного элементов, электрически изолированных друг от друга и имеющих между собой оптическую связь.Рис. 13.10 Простейший оптрон состоит из светодиода и фотодиода, размещенных в одном корпусе. В качестве светоприемника также могут использоваться фототранзисторы, фототиристоры и фотосопротивления; при этом источник и приемник светового излучения выбирают спектрально согласованными. Устройство простейшей диодной оптопары и ее условное графическое обозначение приведены на рис. 13.10. Оптическая среда распространения сигнала может представлять собой прозрачное соединение на основе полимеров или особых стекол. Применяют также длинные волоконные светодиоды, с помощью которых можно разнести излучатель и приемник на значительное расстояние, обеспечив их надежную электрическую изоляцию друг от друга и помехоустойчивость. Это позволяет управлять высокими напряжениями (сотни киловольт) с помощью низких напряжений (несколько вольт). Важным показателем работы оптрона является его быстродействие. Время переключения фоторезисторных оптопар составляет не более 3мс.^ 13.2.3. Волоконно-оптические приборыВолоконно-оптический прибор – это диэлектрический волновод, по которому энергия передается в виде электромагнитных волн оптического диапазона (f≈ 10¹⁴Гц). Если энергия передается в форме видимого излучения, то такой волновод называется световодом. Схематично конструкция диэлектрического волновода и ход лучей в нем показаны на рис. 13.11.Рис. 13.11 Простейший световод (диэлектрический волновод) представляет собой круглый или прямоугольный диэлектрический стержень 1, называемый сердечником, окруженный диэлектрической оболочкой 2. Для передачи энергии по световоду используется явление полного внутреннего отражения на границе двух диэлектрических сред. Если показатель преломления материала сердечника, а оболочки –, то условие существования полного внутреннего отражения имеет вид, гдеE₁ иE₂– относительные диэлектрические проницаемости соответственно сердечника и оболочки. Показатель преломления оболочкиn₂неизменный, а показатель преломления сердечникаn₁, является в общем случае функцией его поперечной координатыr(рис. 13.11). Функциюназывают профилем показателя преломления. Если показатель преломленияn₁возрастает от оболочки к продольной оси сердечника, то световые лучи «прижимаются» к продольной оси волновода (рис. 13.11). Таким образом, энергия электромагнитных волн за счет полного внутреннего отражения локализуется в сердечнике волновода и распространяется в нем с очень незначительными потерями. Волоконные световоды изготовляют из кварцевого стекла путем вытяжки из расплава. Причем оболочку изготовляют из чистого кварцевого стекла, а в кварцевое стекло сердечника для увеличения показателя преломления добавляют легирующие элементы (германий, фосфор, бор, титан). Типичные размеры волновода: диаметр сердечника – 50мкм, диаметр оболочки – 125мкм. Для защиты от воздействия окружающей среды на световод поверх оболочки наносят защитное покрытие из диэлектрика, например, полимера или металла (индия, алюминия, олова) толщиной 3...5мкм. На базе световодов изготавливают так называемые волоконно-оптические линии связи, по которым передается различная информация. Для передачи больших объемов информации на значительные расстояния используют оптические кабели.Рис. 13.12 Одна из возможных конструкций оптического кабеля показана на рис. 13.12. Кабель состоит из армирующего элемента (металлического троса) 1, заключенного в пластмассовую оболочку 2. Вокруг армирующего элемента расположены волоконные световоды 3, имеющие защитное покрытие 4. Все элементы конструкции кабеля заключены в общую полиэтиленовую оболочку 5. Оптические кабели используют в связи, радиоэлектронике, медицине, атомной энергетике, космическом машиностроении и др. Структурная схема волоконно-оптических линий связи для передачи информации на большие расстояния приведена на рис. 13.12. Электрический информационный сигнал после модулятора с помощью лазера или светодиода преобразуется в световой, передается по волоконно-оптическому кабелю и попадает на фотоприемник. Здесь он преобразуется в электрические импульсы, которые демодулируются и усиливаются. В волоконно-оптических линиях связи, рассчитанных на большие расстояния, устанавливают ретрансляторы, где происходит преобразование оптических сигналов в электрические, усиление и восстановление исходной формы сигнала. После этого электрические сигналы вновь преобразуются в оптические.Рис.13.13 Любая система связи может быть охарактеризована тремя основными параметрами: информационной емкостью, затуханием сигнала и помехозащищенностью. По сравнению с электропроводящими линиями связи волоконно-оптические имеют значительные преимущества. По информационной емкости, определяемой числом каналов связи, они в 10⁴ …10⁵раз превосходят электропроводящие линии, работающие на частотах до 10⁹Гц. Затухание сигналов в волоконно-оптических линиях связи составляет всего 0,5…1дБ/км, что позволяет устанавливать ретрансляторы через 30...50км. Применение волоконно-оптических линий дает возможность при одинаковых условиях уменьшить на порядок массу и габариты аппаратуры, а также существенно снизить стоимость оборудования для передачи информации.

41. 1. Основные понятия Метрология - область знаний и вид деятельности, связанной с измерениями (ГОСТ Р 8.000-00). Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Как следует из определения, суть метрологии как науки и профессиональной деятельности составляет ОЕИ. Измерение - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины [ФЗ «Об обеспечении единства измерений»]. Согласно РМГ 29-99 «ГСИ Метрология. Основные термины и определения», измерение физической величины - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. 2. Структурные элементы (цели, задачи и принципы) метрологии Как и любой деятельности, метрологии присущи основные элементы, но эти элементы имеют специфическое назначение, свойственное только метрологической науке и деятельности. Структурные элементы метрологии представлены на рис. 2.1. Основополагающая цель метрологии - обеспечение единства измерений (ОЕИ) с необходимой и требуемой точностью. Достижению этой цели служит результат измерения, который с достаточной достоверностью отражает количественную характеристику измеряемой величины. Для достижения поставленной цели в метрологии решаются следующие важнейшие задачи: установление и воспроизведение в виде эталонов единиц измерения физических величин; совершенствование эталонов единиц измерения для повышения их точности; усовершенствование способов передачи единиц измерения от эталона к измеряемому объекту; разработка и совершенствование средств и методов измерения, а также повышение их точности; разработка новой и совершенствование действующей правовой и нормативной базы метрологической деятельности. Как и любая деятельность, метрология базируется на основополагающих принципах, а именно на принципах: • единства измерений; • научной обоснованности. Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в РФ единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы [ФЗ ОЕЗ]. Этот принцип достигается применением общих для всех единиц измерений. Так, в России большинство применяемых единиц измерений физических величин входят в Международную систему (СИ) единиц физических величин. Научная обоснованность заключается в том, что разработка и/или применение метрологических средств, методов, методик и приемов основывается на научном эксперименте и анализе. Указанный принцип позволяет определять и достоверно доказывать необходимость требуемой точности измерений (классов точности), возможность применения конкретных технических устройств и методик для проведения измерений с учетом специфики измеряемого объекта. 3. Разделы метрологии. ОЕИ занимаются метрологи, профессиональная деятельность которых имеет три направления, определяющие следующие разделы метрологии: теоретический, практический, законодательный. Для каждого из указанных разделов метрологии свойственны определенные цели и задачи. Теоретическая метрология - раздел метрологии, посвященный изучению ее теоретических основ: терминологии, физических величин, основ теории измерений, единиц измерения и их эталонов, средств и методов измерения. Практическая метрология - раздел метрологии, рассматривающий вопросы практического применения в различных областях деятельности результатов теоретических исследований, а также законодательных и нормативных актов. Законодательная метрология - раздел метрологии, в котором рассматриваются правила, требования и нормы, обеспечивающие регулирование и контроль за единством измерений. 4. Значение метрологии. Метрологическую деятельность в основном осуществляют специалисты - метрологи. Однако отдельные элементы этой деятельности, связанной с измерениями, выполняет производственный и обслуживающий персонал предприятий большинства отраслей народного хозяйства. Известно, что ежегодно в мире осуществляется более 200 млрд измерений. даже если специалисты тех или иных организаций не проводят непосредственно измерений, они обязательно используют определенные метрологические понятия, о которых должны иметь представление. К числу наиболее распространенных метрологических понятий относятся физические величины и единицы их измерений. Например, экономисты, коммерсанты, менеджеры, юристы непосредственно не измеряют количество товаров, работ и услуг, а оперируют их стоимостными характеристиками. Однако стоимостные характеристики без увязки с количественными теряют всякий смысл. Важна не просто цена, а цена за определенную единицу измерения (килограмм, метр, литр и т.п.). Не случайно, в Правилах продажи отдельных видов товаров (п. 19) установлено, что в ценниках должна быть указана цена за единицу измерения. При заключении внешнеторговых сделок в контрактах должна определяться не только цена за товары, но и единица измерений, тем более что национальные внесистемные единицы в ряде стран отличаются от российских и системных единиц СИ. Например, существует короткая тонна, применяемая в США и Англии, масса которой составляет 907,185 кг. Торговая унция «весит» 28,3195 г, а тройская и аптекарская - 31,1035 г. Практически во всех областях знаний и отраслях народного хозяйства применяются элементы метрологии, поэтому ее относят к фундаментальной науке, определяющей развитие других наук. Наибольшее применение метрологическая деятельность находит при производстве продукции и предоставлении услуг, в том числе и торговых. Измерение - неотъемлемая процедура при многих производственных операциях, а также сдаче и приемке товаров от изготовителя продавцу, отпуске товаров покупателям. В связи с этим персонал обязан уметь измерять, знать правила эксплуатации средств измерения, в том числе и требование работы только на поверенных средствах измерения, если это определено законодательством.

42.Общие свойства и элементы измерительных приборов