n1

Uí = Rí Iô = kRí Ô

Интегральная чувствительность k электронных фотоэлементов с кислородноцезиевым катодом составляет 20 - 60 мкА/лм, с сурьмяно-цезиевым – 80 - 180 мкА/лм.

Для правильной эксплуатации фотоэлементов необходимо знать их спектральные характеристики, ход которых показан на рис.16.3.

Вольт-амперные характеристики, приведенные на рис.16.4., дают возможность судить о зависимости фототока Iфот анодного напряжения Uа при различных значениях светового потока Ф. Видно, что в режиме насыщения фототок не зависит от анодного напряжения. Этот режим и является рабочим.

Электронные фотоэлементы широко применяются в различных областях науки и техники. В частности, их применяют в фотореле, которые обеспечивают контроль различных величин на производстве: освещенности, прозрачности сред, качества обработки поверхности деталей и т. п.

16.2. Электронные фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

фоторезисторы

Фоторезисторы – приборы, принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте – изменении сопротивления полупроводникового материала под действием электромагнитного излучения.

Устройство фоторезистора показано на рис. 16.6, а. Плёнка 2 из полупроводникового материала (сульфид свинца, соединения сернистого кадмия,

a)

Рис. 16.6. Устройство (а) и схема включения фоторезистора (б)

висмут и т.д.) закреплена на диэлектрической подложке 3 (стекло, кварц, керамика). Световой поток A попадает на полупроводник через специальное отверстие в пластмассовом корпусе. Электроды 1, выполненные из благородных материалов (золото, платина), обеспечивает хороший контакт с полупроводником и не подвержены коррозии. Поверхность полупроводника покрыта защитным слоем прозрачного лака.

В схеме (рис. 16.6,б) при отсутствии светового потока по цепи проходит так называемый темновой ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводника. Этот ток весьма мал, и его значение определяется темновым сопротивлением Rт, имеющим широкий диапазон значений: 102 – 1010 Ом. Наибольшее значение Rт имеют фоторезисторы, выполненные из сернистого кадмия.

При освещении фоторезистора в нем возникают дополнительные свободные электрические заряды – электроны и дырки, в результате чего ток в цепи возрастает.

81

Разность между световым током Iсв и темновым токами называется фототоком:

Iô = Iñâ − Iò

Зависимость фототока Iô от лучистого потока Ф иллюстрируется энерге-

тической характеристикой (рис.16.7). Нелинейность этой характеристики является недостатком фоторезисторов.

λ,мкм

Значения фототока сильно зависят от спектрального состава светового потока. Эта зависимость видна из спектральной характеристики, вид которой для фоторезистора, выполненного из сульфида кадмия, приведен на рис.16.8 (где Iфmax - фототок, соответствующий максимуму спектральной чувствительности). Интегральная чувствительность фоторезисторов на два порядка выше, чем электронных фотоэлементов.

Важным параметром фоторезисторов является пороговый световой поток Фn - минимальный поток излучения, который вызывает появление в цепи фоторезистора электрического напряжения, превышающего в 2—3 раза шумовое напряжение.

Существенным недостатком фоторезистора является их большая инерционность, обусловленная значительным временем генерации и рекомбинации электронов и дырок при изменении освещенности фоторезистора.

Фоторезисторы обозначают буквами ФС или СФ, затем еле дует буква и цифра, которые определяют состав и конструктивное оформление: А—РЬ; К—CdS, Г — герметизированный корпус. Например, ФСК — Г1 обозначает фоторезистор из сернистого кадмия в герметизированном корпусе.

Фоторезисторы широко применяются в автоматике, вычислительной технике и промышленной электронике.

В частности, фоторезисторы используют для сортировки изделий по их ок-

82

раске, размерам или каким-нибудь другим признакам.

Фотодиоды

Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности р-n-перехода.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: в режиме фотогенератора (фотоэлемента) без внешнего источника питания и в режиме фотопреобразователя с внешним источником.

В режиме фотогенератора используется фотогальванический эффект, суть которого заключается в создании разности потенциалов на зажимах неоднородного полупроводника при его освещении. Фотодиоды образованы двумя примесными полупроводниками с различными типами электропроводности. Конструктивно фотодиоды выполнены так, что световой поток падает на плоскость р-n-перехода под прямым углом (рис. 16.9, а).

При отсутствии светового потока в области р-n-перехода существует потенциальный барьер с напряжением Uк (контактная разность потенциалов), обусловленный взаимной диффузией электронов в область р-типа и дырок в область n-типа.

При освещении р-n-перехода фотоны, попавшие на полупроводники, образуют пары свободных зарядов электрон - дырка. В результате в областях р- и га-типов увеличивается концентрация свободных электронов и дырок соответственно.

Под действием электрического поля, обусловленного контактной разностью потенциалов Uк (рис. 16.9, а), неосновные носители р- области - электроны - переходят в n-область, а неосновные носители n-области - дырки - в р- область. В результате этого процесса в n- области возникает избыток электронов, а в р- области - избыток дырок. Таким образом, на зажимах фотодиода возникает фото-ЭДС Eф, равная контактной разности потенциалов и имеющая значение около 1 В.

При замыкании освещенного фотодиода на внешнюю нагрузку Rн (рис. 16.9, б) в цепи возникает ток I, обусловленный движением неосновных носителей зарядов.

Следовательно, в данной схеме происходит преобразование лучистой энергии в электрическую.

Фотодиоды, работающие в генераторном режиме, довольно широко используют в качестве источников, преобразующих солнечную энергию. Такие источники именуют фотоэлементами или солнечными элементами. Из них строят солнечные батареи, которые используют на космических объектах в качестве электростанций. Фотоэлементы отличаются от фотодиодов только своими конструктивными особенностями. Фотодиоды и фотоэлементы изготовляют из германия, кремния, селена, сернистого серебра, арсенида индия.

В режиме фотопреобразователя в цепь последовательно с нагрузкой включают источник напряжения в запирающем направлении (рис. 16.10). Когда

83

фотодиод не освещен, в цепи проходит темновой ток. При освещении фотодиода происходит генерация электронов и дырок. Под действием электрического поля источника Eа неосновные носители слоев р- и n-типов полупроводника создают в цепи ток, значение которого практически определяется только световым потоком Ф и равно приблизительно току короткого замыкания в генераторном режиме. Поэтому чувствительность фотодиодов в обоих режимах принято считать одинаковой. Для германиевых фотодиодов интегральная чувствительность достигает 20 мА/лм.

Фототранзисторы

Фототранзистор представляет собой трехслойный полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами, обладающий свойством усиления фототока при воздействии лучистой энергии.

Фототранзистор, как правило, выполнен в виде обычного плоскостного транзистора из германия или кремния. Световой поток падает на базу, поэтому эмиттер делают тонким, небольших размеров.

На рис.16.12 представлена двухполюсная схема включения фототранзистора. Под действием света в области базы образуются пары носителей зарядов

— электроны и дырки. Дырки (неосновные носители базы) под действием электрического поля источника Ек движутся через коллекторный переход, образуя фототок Iф, проходящий через нагрузку Rн. Электроны, не прошедшие через эмиттерный переход и оставшиеся в базе, снижают потенциальный барьер. Это облегчает переход дырок из эмиттера в базу, увеличивая коллекторный фототок. Чувствительность фототранзистора сильно превышает чувствительность фотодиодов и имеет значения порядка 0,5—1 А/лм.

На рис.16.13 показана схема с подключенной базой. Возможности такой схемы шире, так как на ее вход можно подавать кроме светового электрический сигнал. Обычно электрический вход используют для выбора рабочей точки на линейном участке характеристики, а также для уменьшения влияния внешних воздействий.

84

логические схемы вычислительной техники, генераторы синусоидальных, импульсных или пилообразных напряжений, триггеры, изготовленные как единое целое в объеме одного полупроводникового кристалла или в тонких пленках. Эти схемы обычно дополняют навесными компонентами.

К пассивным элементам электронных схем относят резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, трансформаторы, к активным — диоды, транзисторы, тиристоры и др. Интегральные микросхемы содержат десятки и сотни пассивных и активных элементов. Показатель степени сложности микросхемы характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентов.

Большие интегральные схемы также изготовляют в объеме одного кристалла. Они характеризуются большей сложностью и служат в качестве отдельных блоков электронной аппаратуры, например запоминающего устройства, процессора и т. д.

17.1. Гибридные интегральные микросхемы

Технология гибридных интегральных микросхем базируется на использовании толстых и тонких пленок, нанесенных на керамическое основание. Пленки изготовляются из специальных паст.

Пассивные элементы формируются в пленке, а активные в виде миниатюрных бескорпусных полупроводниковых приборов размещаются над пленкой и соединяются с пленочными элементами продольными выводами (рис. 17.1).

Навесными могут изготовляться также и некоторые пассивные элементы: конденсаторы относительно большой емкости, индуктивные катушки, трансформаторы. При создании схемы на круглую или квадратную подложку по специальной технологии наносят различные пленки, из которых формируются резисторы, конденсаторы, соединительные линии и контактные площадки.

Рис. 17.1. Гибридная микросхема

Навесные элементы располагают на подложке или над подложкой. Иногда их помещают в углублениях подложки или в сквозных окнах и заливают эпоксидной смолой. Размеры навесных элементов выбирают, возможно минимальными. Диоды и транзисторы обычно изготовляют в виде кристаллов объемом около 1 мм3.

Важную роль в обеспечении надежности микросхемы и снижения ее собственных шумов играет качество контактных соединений. Для получения хорошего контакта широко применяют лазерную технику, термокомпрессию, ультразвуковую сварку.

Собранную гибридную микросхему заключают в металлический или пла-

86

стмассовый корпус, изолирующий ее от внешних воздействий (влаги, пыли и др.). Размеры корпуса составляют единицы или десятки миллиметров. Контактные выводы размещают в определенном порядке, а корпус нередко имеет' срез или выступ для обеспечения ориентировки при монтаже.

Контакты навесных элементов изготовляют в виде, тонких проволок, балок или шариков. Для проволочных контактов (рис. 9.2) применяют золотую или позолоченную медную проволоку диаметром в несколько десятков микрометров. Балочные контакты имеют вид плоских консолей длиной 100 мкм. Жесткие шариковые и балочные контакты удобны при автоматизации процесса сборки и пайки схемы.

Рис.17.2. Проволочный монтаж кристаллов

Наибольшие технологические сложности возникают при изготовлении индуктивных катушек и трансформаторов. Поэтому микросхемы стремятся проектировать так, чтобы они содержали минимум таких элементов. В случае необходимости микроиндуктивности могут быть сформированы из пленки, а элементы с относительно повышенной индуктивностью - в виде навесных катушек. Таким катушкам часто придают плоскую форму, а сердечники их делают разомкнутыми.

Материалом для сердечника обычно служат ферриты и карбонильное железо. Добротность пленочных индуктивных катушек невелика. У навесных катушек она достигает десятков единиц.

Современная технология гибридных интегральных микросхем позволяет получить плотность пассивных и активных элементов порядка 100 см-2, при этом более высокую плотность имеют тонкопленочные схемы.

17.2. Полупроводниковые интегральные микросхемы

Полупроводниковые интегральные микросхемы изготовляют на одном кристалле введением легирующих примесей в определенные микрообласти. Современные технологии позволяют создавать в приповерхностном объеме кристалла весь набор активных и пассивных элементов, а также межэлементные соединения в соответствии с топологией схемы.

В качестве активных элементов ИМС наряду с биполярными широко применяются транзисторы типа МДП. МДП-транзисторы проще в изготовлении, дают больший процент выхода годных изделий, позволяют получить более высокую плотность размещения приборов, потребляют меньшую мощность, дешевле биполярных.

Однако у микросхем на основе МДП-транзисторов есть существенный недостаток - сравнительно высокая инерционность. Поэтому там, где требуется высокое быстродействие, в частности в электронных вычислительных маши-

87

нах, предпочтение отдают ИМС на биполярных транзисторах.

Один из важных критериев оценки ИМС, характеризующий уровень интеграции, - это отношение числа р-n-р-переходов к числу внешних выводов (вентиль/контакт). Чем больше это отношение и чем меньше потребляемая мощность (лучше условия теплоотдачи), тем надежнее электронные блоки на базе микросхем (сравнивать следует блоки одинаковой функциональной сложности). У простых логических схем это отношение меньше единицы. С повышением сложности ИМС отношение вентиль/контакт достигает десяти и более.

Основой полупроводниковых интегральных микросхем чаще всего служит кремний. На одной пластинке кремния диаметром 75 мм и толщиной 0,2 мм можно сформировать до 10 000 полупроводниковых ИМС.

Широкое применение кремния для производства полупроводниковых ИМС обусловлено прежде всего способностью кремния сохранять полупроводниковые свойства при относительно высоких температурах (до 400 К).

Существенным является и то, что при нагревании пластины кремния в кислородной среде на ее поверхности образуется пленка SiO2. Она защищает кристалл и сформированные в нем миниобласти с заданным типом электропроводности от загрязнений, из нее формируется маска для локальной диффузии примесей, она может выполнять роль диэлектрика в схеме.

ИМС в отполированной пластине кремния изготовляют групповым методом: тысячи одинаковых схем формируют одновременно. Затем в пластине алмазным резцом делают насечки по границам схем и разламывают ее на кристаллики. Полученные заготовки снабжают внешними выводами, герметизируют, помещают в корпуса и оформляют в виде серийных электронных приборов. Групповая обработка обеспечивает высокую стандартизацию и экономичность производства.

Возможность серийного производства ИМС была подготовлена созданием и совершенствованием планарно-эпитаксиальной технологии.

17.3. Применение интегральных микросхем

В основу классификации ИМС могут быть положены различные признаки. Одним из таких признаков служит технология изготовления. Мы установили, что в зависимости от технологии различают гибридные и полупроводниковые ИМС. В свою очередь, гибридные ИМС делят на толстопленочные и тонкопленочные, а в группе полупроводниковых ИМС выделяют подгруппу совмещенных интегральных микросхем.

Технология изготовления совмещенных ИМС не имеет принципиальных отличий от рассмотренных выше технологий. Название совмещенных эти ИМС получили потому, что в них оптимальным образом сочетаются достоинства полупроводниковых и пленочных элементов, при этом активные элементы схемы изготовляют в приповерхностном слое полупроводникового кристалла, а пассивные - в тонкой пленке, нанесенной на его поверхность.

Признаком классификации интегральных микросхем является также уровень интеграции. По этому признаку выделяют ИМС с малой степенью интеграции (от 1 до 10 логических элементов) *; со средней степенью интеграции

88

(от 10 до 100 логических элементов); с высокими степенями интеграции или большие интегральные схемы БИС с количеством логических элементов, превышающим 100.

Еще одним классификационным признаком служит назначение ИМС, когда их делят на логические и линейные. Логические ИМС используют в цифровых электронных вычислительных машинах, схемах автоматики и радиоэлектроники, для построения запоминающих устройств и логических блоков, линейные - для построения аналого-цифровых преобразователей, усилителей сигналов, низко- и высокочастотных генераторов.

Маркировка ИМС осуществляется в соответствии с ГОСТом и отображает некоторые характерные особенности приборов. Она включает три элемента. Принадлежность прибора к ИМС обозначают индексом К. Второй элемент определяет технологическую разновидность схемы: цифрами 1, 5, 7 обозначаются полупроводниковые ИМС, цифрами 2, 4, 6, 8 - гибридные. Третий элемент маркировки - двузначное число - номер серии, указывающий функциональную принадлежность микросхемы.

Интегральные микросхемы применяются во всех областях современной техники, где используют полупроводниковые приборы. Малые габариты и массы, большая надежность, высокая стабильность и воспроизводимость параметров, низкий уровень собственных шумов, малое потребление энергии позволяют ИМС успешно конкурировать со схемами, собранными на дискретных элементах.

Особенно велико значение интегральных микросхем для дальнейшего развития вычислительной техники, автоматики, телеизмерительной техники, систем управления технологическими процессами в промышленности и сельском хозяйстве, проводной, радио- и телевизионной связи, всех видов транспорта. Микроэлектроника позволила расширить теоретические и экспериментальные исследования в космосе, биологии, физике. Она применяется и в автоматах, работающих на Луне и Марсе, и при изучении биотоков в клетках живого организма. Микроэлектроника позволила создать приемник радиопередач, помещающийся в дужке очков, телевизор, встроенный в браслет для ручных часов, карманную вычислительную машину и т.д.

Вопросы для самопроверки

1.Что называют интегральной микросхемой?

2.Как построены гибридные интегральные микросхемы?

3.На какие виды делятся гибридные интегральные микросхемы?

4.Как построены совмещенные полупроводниковые интегральные микросхемы?

5.Какой материал лежит в основе изготовления полупроводниковых интегральных микросхем

6.Какие технологии применяются при изготовлении интегральных микросхем?

7.Где применяются интегральные микросхемы?

8.По каким уровням интеграции классифицируются интегральные микросхемы?

89

ЛЕКЦИЯ № 18 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

18.1. Общие сведения

Впромышленной электронике очень часто возникает необходимость в усилении электрических сигналов, например, при измерениях неэлектрических величин электрическими методами, контроле и автоматизации технологических процессов. Для решения этих задач используют электронные усилители - устройства, которые служат для усиления напряжения, тока или мощности слабых электрических сигналов. В настоящее время в усилителях вместо электронных ламп широко применяют транзисторы.

18.2. Классификация усилителей

Усилители могут быть классифицированы по ряду признаков: по роду усилительных элементов (ламповые, транзисторные); по роду усиливаемой величины (усилители напряжения, тока и мощности); по числу каскадов (одно, двух и многокаскадные). Одним из наиболее важных признаков является диапазон частот усиливаемых сигналов, в котором усилитель обеспечивает нормальную работу. По данному признаку различают следующие типы усилителей: усилители низкой частоты, усилители постоянного тока, избирательные усилители, импульсные или широкополосные усилители.

Усилители низкой частоты (УНЧ), которые служат для усиления непрерывных периодических сигналов в диапазоне низких частот (от десятков герц до десятков килогерц). Особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты fв к нижней fн велико и имеет значение от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления мед-

ленно меняющихся напряжений и токов в диапазоне частот от нуля до некоторой наибольшей частоты. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

Избирательные усилители, характеризующие небольшими значениями отношения верхней и нижней частот (1 < fв/fн ≤ 1,1). Как правило, это усилители высокой частоты (УВЧ).

Импульсные или широкополосные усилители работают в диапазоне от не-

скольких килогерц до нескольких десятков мегагерц и используются в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения.

18.3. Основные технические характеристики усилителей.

Коэффициент усиления в соответствии с видом усиливаемой величины называют коэффициентом усиления по напряжению, току или мощности. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение (ток, мощность) на выходе усилителя, больше, чем на входе, и обозначается соответственно КU (КI, КР). Так, коэффициент усиления по напряжению

(обычно КU обозначают просто К).

Для многокаскадного усилителя, структурная схема которого приведена

90