Глава 5.4.

ВИДЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

1. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы

Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для преобразо­вания и обработки непрерывно и плавно изменяющихся сигналов. Обычно они имеют линейные характеристики, поэтому получил распространение термин «линейная микросхема». Они применя­ются в качестве усилителей и генераторов гармонических (сину­соидальных) сигналов, а также детекторов, фильтров, модулято­ров, коммутаторов и других устройств.

Аналоговые ИМС получают все более широкое применение благодаря усовершенствованию технологии и возможности соз­дания транзисторных структур в интегральном исполнении с вы­соким напряжением пробоя, с высокой граничной частотой и одинаковыми параметрами всех элементов, а также создания структур п-р-п и р-п-р на одной подложке в едином технологи­ческом процессе.

Наиболее распространенный тип аналоговых ИМС — интег­ральные усилители. Они подразделяются на многоцелевые (с од­ним входом) и многоцелевые дифференциальные усилители (с двумя входами и двумя или одним выходом). Разновидностью дифференциальных усилителей являются операционные усилите­ли, имеющие два входа и один выход.

Многоцелевые усилители с одним входом и одним выходом

предназначены для усиления гармонических сигналов в широком диапазоне частот. К ним относятся усилители низких, промежу­точных и высоких частот, видеоусилители и широкополосные усилители. Они находят применение в практике приемной и пере­дающей радиоаппаратуры, телевидения и видеотехники.

Дифференциальные усилители имеют два симметричных от­носительно общей точки (корпуса) входа. Они усиливают раз­ность двух сигналов, подаваемых на входы, и могут быть исполь­зованы в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Рис. 5.11. Условные графические обозначения операцион­ных усилителей (а, б) и логических элементов (в)

в

Операционные усилители — это многокаскадные усилители с дифференциальными входами (два входа) и одним общим выхо­дом. Они отличаются очень большим коээфициентом усиления, большим входным и очень малым выходным сопротивлением. Название «операционный» связано с их первоначальным приме­нением для выполнения различных математических операций в ЭВМ — сложения, вычитания, умножения, интегрирования и других. Но по мере развития микроэлектроники и производства операционных усилителей в интегральном исполнении — в виде ИМС — их применение все более расширялось. Их используют в усилителях постоянного и переменного тока, в генераторах, стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т. д. Два варианта условного обозначения операционных усилителей на схемах показаны на рис. 5.11, а, б. Один вход (со знаком «+») называют неинвертирующим; при подаче сигнала на него фазы приращения сигнала на выходе и входе совпадают. Второй (со знаком «—») — инвертирующим; приращения сигнала на выходе и этом входе по фазе противоположны.

Аналоговые ИМС могут быть как полупроводниковыми, так и гибридными с тонко- и толстопленочными элементами. Их изго­товляют на основе биполярных или МДП-транзисторов, которые имеют более высокое входное сопротивление и меньший шум, чем

биполярные; поэтому их целесообразно применять на входе опе­рационных усилителей. На выходе обычно используют эмиттер- ный повторитель. Основные параметры аналоговых схем следую­щие: входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления и частотный диапазон.

Питание аналоговых ИМС осуществляется от низковольтных источников постоянного тока. В зависимости от схем каскадов может требоваться источник питания, дающий не одно, а два напряжения: равной величины, но противоположной полярности относительно общей точки. Вторичные источники питания в ин­тегральном исполнении выпускаются серией К.142, содержащей маломощные выпрямители и стабилизаторы напряжения.

Цифровые (логические) ИМС предназначены для преобразо­вания и обработки дискретных сигналов. Их используют как электронные ключи с двумя устойчивыми состояниями. В одном состоянии на их входе (выходе) действует низкий уровень нап­ряжения; при переводе на двоичный цифровой код это соответст­вует логическому нулю (0). В другом состоянии действует высокий уровень напряжения, что соответствует логической еди­нице (1). Частный случай цифровой ИМС — логическая мик­росхема. Положительной логикой называют действие элементов, срабатывающих при положительном импульсе входного сигна­ла — при изменении его с 0 на 1, а отрицательной — при измене­нии входного сигнала с 1 на 0. Цифровые ИМС применяют в узлах и блоках электронных вычислительных машин, в устройствах дис­кретной автоматики и измерительной техники.

Статическими параметрами цифровых ИМС называют пара­метры, характеризующие состояние включенной микросхемы: напряжение источника питания; входное и выходное напряжения, соответствующие логическому нулю (0) или логической единице (1); допустимое количество входов ИМС, называемое коэффи­циентом объединения по входу; количество одновременно под­ключенных нагрузок — коэффициент разветвления по выходу, средняя потребляемая мощность; помехоустойчивость.

Динамические параметры характеризуют ИМС в режиме пе­реключения: время перехода из состояния, соответствующего 0, в состояние, соответствующее 1, или наоборот; время задержки распространения сигнала и другие. Цифровые ИМС по функцио­нальному назначению делят на подгруппы: логические ИМС, триггеры, элементы арифметических устройств и т. д.

Логическая микросхема как базовый элемент цифрового уст­ройства реализует определенную логическую (переключа­тельную) функцию. Сигнал на входе или нескольких входах может иметь значения, равные либо логической единице, что со­ответствует наличию импульса, либо логическому нулю при от­сутствии импульса. Эти входные сигналы вызывают появление на выходе микросхемы выходных сигналов, которые тоже могут принимать только значения логической 1 или 0.

Ключи в логических ИМС могут быть построены на различ­ных полупроводниковых приборах: диодах, биполярных или МДП-транзисторах и их сочетаниях. Они выполняют различные логические операции. Простейшими из них являются логическая инверсия НЕ (функция отрицания), логическое умножение И (конъюнкция) и логическое сложение ИЛИ (дизъюнкция). На рис. 5.11,в даны условные графические обозначения логических схем. Самая простая логическая ИМС НЕ реализует функцию НЕ; она содержит ключ с одним входом и одним выходом. Если на входе логический 0 (нет сигнала), то на выходе появится сигнал, т. е. будет логическая 1, и наоборот. Логическую функцию И осу­ществляет ИМС И, которая строится на основе ключей с двумя или более входами и одним выходом. Сигнал на выходе (логическая 1) появляется в этой схеме только тогда, когда на всех входах одновременно логические 1. Если хоть на одном входе 0, то и на выходе будет 0. Функцию ИЛИ реализует ИМС ИЛИ тоже на основе ключей с двумя и более входами и одним выходом, но выходной сигнал равен логической 1, если хотя бы один входной сигнал равен 1. Эти три логические ИМС — НЕ, ИЛИ, И — составляют функционально полную систему логических элемен­тов; используя различные их сочетания, можно создать цифровое устройство любой функциональной сложности; например, И — НЕ, ИЛИ — НЕ (основные логические ИМС) и более сложные: НЕ — И — ИЛИ, И — ИЛИ — НЕ, И — ИЛИ — И и др.

Каждая цифровая (логическая) ИМС может выполнять как логические, так и арифметические операции в двоичной системе счисления. Их изготовляют в основном по технологии полупро­водниковых ИМС и в зависимости от используемых полупро­водниковых элементов подразделяют на резисторно-транзистор- ную логику РТЛ, диодно-транзисторную логику ДТЛ, транзистор­но-транзисторную логику ТТЛ, транзисторную логику на пере­ключателях тока ПТТЛ и логику на МДП-транзисторах МДПТЛ. Например, микросхема РТЛ имеет во входных цепях резисторы, а в выходных — транзисторы; ДТЛ на входе содер­жит диоды, а на выходе — транзисторы и т. д.

Цифровые ИМС выполняют различные сложные логические и арифметические функции, а также запоминают информацию и обеспечивают возможность построения любых арифметических, запоминающих и управляющих устройств ЭВМ.

2. Большие интегральные схемы и микропроцессоры

Создание больших интегральных схем (БИС) характеризует новый этап в развитии микроэлектроники. Это явилось след-

г

I ствием непрерывного совершенствования технологических про­цессов изготовления ИМС, увеличения степени интеграции, уменьшения размеров активных и пассивных элементов, роста функциональной сложности микросхем.

БИС — это интегральная микросхема третьей, четвертой и более высокой степени интеграции, которая содержит несколько функциональных устройств. Каждое из этих устройств в свою очередь содержит более 1000 элементов.

БИС отличаются от ИМС с меньшей степенью интеграции тем, что представляют собой более сложные интегральные схемы, вы­полняющие функции блоков и целых радиоэлектронных уст­ройств. Они предназначаются для определенных типов ап­паратуры и не являются устройствами широкого применения. При изготовлении БИС на полупроводниковой пластине одновременно создается большое количество микросхем, но, в от­личие от процесса изготовления ИМС, пластина не разрезается на отдельные кристаллы, а готовые ИМС путем создания спе­циальных металлизированных межсоединений объединяются на общей подложке в определенную единую систему, которая и является большой интегральной схемой.

БИС позволяет повысить не только степень интеграции, но и качественные показатели, и надежность радиоэлектронной ап­паратуры при снижении ее стоимости. Это достигается за счет уменьшения числа соединений в аппаратуре, поскольку БИС заменяет ряд отдельных ИМС; уменьшения объема монтажно­сборочных работ, а также сокращения числа технологических операций. Создание БИС повышает быстродействие узлов аппа­ратуры и ее помехозащищенность.

БИС, как и ИМС, подразделяют на цифровые и аналого­вые, а по конструкционно-технологическому признаку — на полу­проводниковые и гибридные. В гибридных БИС в качестве на­весных компонентов используют бескорпусные ИМС средней сте­пени интеграции. Широкое распространение получили БИС в вычислительной аппаратуре, которая производит миллионы опе­раций в секунду. К ним относятся микропроцессорные схемы и другие блоки ЭВМ, микрокалькуляторы.

Микропроцессором называют устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. Это функционально законченное устройство, построенное на одной или нескольких БИС. Микропроцессорные ИМС были созданы в начале 70-х годов и получили бурное развитие, в результате которого появились четыре поколения микропроцессоров: медленно действующих, среднего быстродействия, быстродействующих и однокристаль­ных микропроцессоров, процессорных секций и микро-ЭВМ. Мик­ропроцессоры и микропроцессорные системы применяют также для расширения возможностей телефонных и телеграфных апгта-

ратов. Например, телефонный аппарат, построенный на базе микропроцессора, позволяет: осуществить кнопочный набор но­мера с преобразованием сигнала в импульсы дискового набора; осуществить автоматическое повторение последнего набранного номера; закодировать ряд номеров в запоминающем устройстве микропроцессора с последующим автоматическим набором лю­бого из них путем нажатия соответствующей коду кнопки и т. п.

С помощью микропроцессоров можно осуществить преобразо­вание звуковых сигналов в цифровой код и обратно для пере­дачи по линии связи только цифровой информации. БИС с высо­кой степенью интеграции позволяют создавать микроэлектронные устройства для широкого применения не только в технике, но и в быту: карманные калькуляторы, наручные часы, микро-ЭВМ.

3. Система обозначений интегральных микросхем

Для разработки и создания сложной электронной аппарату­ры, электронной базой которой являются интегральные микро­схемы, требуются не отдельные ИМС различного назначения, а их полный набор. Поэтому электронная промышленность выпус­кает серии интегральных микросхем, т. е. совокупность микро­схем, выполняющих различные функции, но имеющих одинаковое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения в радиоэлектронной аппаратуре. В состав серии могут входить десятки различных типов микро­схем в зависимости от области применения и назначения.

Система буквенно-цифровых обозначений ИМС состоит из четырех эле­ментов, установленных ГОСТ 19480—74.

Первый элемент — цифра, обозначающая конструктивно-технологическую группу: полупроводниковые, гибридные и прочие.

Полупроводниковым ИМС присвоены цифры 1 и 5 для корпусных ИМС,

7. — для бескорпусных; гибридным ИМС присвоены цифры 2, 4, 6, 8; прочим ИМС — цифра 3. К прочим относят пленочные ИМС, вакуумные и керами­ческие. Пленочные ИМС выпускаются в ограниченном количестве.

Второй элемент — две-три цифры, указывающие на порядковый номер разработки данной серии.

Первые два элемента вместе составляют число, указывающее на полный номер данной серии ИМС. Микросхемы широкого применения имеют перед номером серии букву К; например, серия К122 — полупроводниковые ИМС широкого применения, номер разработки 22. Отсутствие буквы К означает изделие специального применения, по заказу потребителя.

Третий элемент — две буквы, первая из которых соответствует подгруппе по функциональному назначению, а вторая — виду в данной подгруппе. На­пример, первая буква Г — генераторы, Д — детекторы, К — коммутаторы и клю­чи, Л — логические элементы, X — многофункциональные микросхемы, М — мо­дуляторы, Н — наборы элементов, П — преобразователи, Е — вторичные источ­ники питания, Т — триггеры, У — усилители, Ф — фильтры и т. д.

Примеры буквенного обозначения вида (вторая буква):

для усилителей высокой частоты — буква В, низкой частоты — Н, про­межуточной частоты — Р, импульсных сигналов — И, постоянного тока — Т, операционных и дифференциальных — Д, прочих — П;

для вторичных источников питания: выпрямители — В, стабилизаторы

напряжения — Н, стабилизаторы тока — Т, прочие — П;

для набора элементов: диодов — Д, транзисторов — Т, резисторов — Р, кон­денсаторов — Е, комбинированных — К, прочих — П;

для логических элементов: И — элемент И, Н — элемент НЕ. Л — элемент ИЛИ, С — элемент И — ИЛИ, А — элемент И — НЕ, Е — элемент ИЛИ — НЕ, Р — элемент И — ИЛИ — НЕ и т. д.

Примеры полного обозначения типономинала, т. е. подгруппы и вида (две буквы): усилитель низкой частоты— УН, усилитель операционный — УД, источ­ник питания — выпрямитель — ЕВ, набор диодов — НД, логический элемент НЕ — ЛН.

Четвертый элемент — одна или несколько цифр, указывающих порядковый номер разработки ИМС в данной серии.

После четвертого элемента может стоять буква, отличающая данный тип в серии от другого по разбросу параметров, конкретные значения которых приводятся в справочниках.

Примеры обозначений интегральных микросхем:

К174УН7 — усилитель низкой частоты широкого применения, серия К174, полупроводниковая ИМС, порядковый номер разработки серии 74, порядковый номер разработки усилителя низкой частоты в данной серии 7.

553УД2А — полупроводниковая ИМС серии 553, порядковый номер разра­ботки серии 53, операционный усилитель, порядковый номер разработки которого в данной серии 2, значения электрических параметров соответствуют букве А.

204ЛИ1—гибридная ИМС серии 204, порядковый номер разработки 4, логический элемент ЭВМ И, порядковый номер разработки логического эле­мента в данной серии 1.

До введения действующего в настоящее время ГОСТ интегральным микро­схемам присваивались старые буквенно-цифровые условные обозначения типов, некоторые из которых сохранились до сих пор. Старые обозначения отли­чаются от новых тем, что порядковый номер разработки серии стоит не до буквенных обозначений подгруппы и вида, а после них, т. е. второй и третий элемент меняются местами. Кроме того, могут отличаться и буквенные обоз­начения подгрупп и видов. Например, операционный усилитель К140УД1 обоз­начался раньше К1УТ401, усилитель низкой частоты К122УН1В обозначался как К1УС221В, где буквы УС означали: усилитель синусоидальных колебаний.

В кинотехнике интегральные микросхемы применяются в транзисторной звуковоспроизводящей аппаратуре киноустановок для усиления электрических колебаний звуковой частоты. В уси­лителях большой мощности интегральные микросхемы еще не нашли применения; их используют для предварительного усиле­ния сигнала, а также в качестве контрольных усилителей в аппаратных кинотеатров.

Контрольные вопросы

1. Какие ИМС называют аналоговыми и для чего их применяют?

2. Какие ИМС называют цифровыми (логическими) и i.u- они находят при­менение?

3. Что представляют собой БИС и микропроцессоры и где их используют?

4. Объясните систему обозначения ИМС.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

1. Общие сведения о функциональной микроэлектронике

Одним из современных направлений микроэлектроники наря­ду с интегральными микросхемами является функциональная микроэлектроника. В интегральной микроэлектронике проектиро­вание, разработка и изготовление микросхем осуществляются на основе электрических схем. При этом в одном кристалле форми­руются области, каждая из которых эквивалентна определенной радиодетали. Усложнение интегральной микросхемы приводит к необходимости увеличивать количество элементов и уменьшать их размеры, что не беспредельно. При большом количестве очень малых элементов возрастают паразитные связи между ними и вредные взаимовлияния, которые трудно устранить.

В функциональной микроэлектронике приборы строят на осно­ве преобразования энергии с использованием различных физи­ческих явлений в твердом теле, например фотоэлектрических, электронно-оптических, выделения тепла при прохождении элек­трического тока и, наоборот, возникновения э. д. с. при нагреве. Поэтому при создании функциональных микросхем не воспроиз­водят все элементы электрической схемы в соответствующих участках твердого тела, а создают области с определенными свойствами, необходимыми для выполнения данной функции.

В качестве примера рассмотрим простейший функциональный блок, который выполняет функцию преобразования переменного тока в постоянный (рис. 5.12, а). Для сравнения на рис. 5.12, б приведена простейшая электрическая схема, которая при реали­зации с помощью электрорадиоэлементов выполняет ту же фун­кцию выпрямителя. Рассматриваемый функциональный блок состоит из трех областей: 1 — область, обладающая активным сопротивлением и выделяющая тепло при прохождении через нее электрического тока любого рода; 2 — область, являющаяся электрическим изолятором, но проводящая тепло; 3 — термо­электрическая область, которая под воздействием теплового потока вырабатывает э. д. с. постоянного тока. К области 1 под­водится переменное напряжение, и под действием электрического тока выделяется тепло. Тепловой поток проходит из области / через теплопроводящую область 2 в термоэлектрическую об­ласть 3, которая при этом генерирует постоянный ток.

Другим примером является пьезоэлектрический кристалл, ге­нерирующий колебания подобно резонансному контуру, содержа­щему катушку индуктивности, конденсатор и резистор.

По сравнению с электрической схемой количество элемен­тов или компонентов в функциональной микросхеме гораздо меньше, а следовательно, появляется возможность значительно уменьшить размеры и стоимость устройств, а главное, резко повысить надежность схемы и устройства в целом.

Однако функциональные микросхемы не универсальны. Это специфические схемы, имеющие свои преимущества и недостатки. В основном они используются для управления электрическими сигналами, однако могут найти применение и в случаях, когда

Рис. 5.12. Функциональный блок для выпрямления пе­ременного тока (а) и аналогичная по функции элек­трическая схема (б)

входными или выходными величинами являются тепло, электро­магнитное излучение, механическое смещение и т. п. В качестве материала, на базе которого создаются функциональные микро­схемы, могут использоваться как полупроводники, так и сверх­проводники, диэлектрики, фотопроводящие материалы и другие.

2. Направления функциональной микроэлектроники

Оптоэлектроника основана на использовании различных оп­тических явлений, т. е. свойств твердых тел, вызванных световым потоком. Световой поток электрически нейтрален, не создает электрических контактов и гальванических связей, обладает од­носторонней направленностью и очень высокой несущей частотой, позволяет пропускать много каналов обработки информации.

Акустоэлектроника основана на явлениях, возникающих при взаимодействии потока электронов с акустическими волнами в твердом теле. На этой основе можно осуществлять генерацию и усиление акустических волн с помощью потока электронов, ско­рость которых значительно превышает звуковую. В акустоэлек- тронике используются механические резонансные эффекты, пьезо­электрический эффект и др. Акустоэлектроника занимается пре­образованием электрических сигналов в акустические и акусти­ческих в электрические.

Прибор, основанный на электромеханическом резонансе, на­зывают резонистором. Он представляет собой полевой тран­зистор с затвором, часть которого нависает над каналом. Сигнал подается на электрод, расположенный на изоляторе под нависаю­щим концом затвора, а на затвор подается постоянное смеще­ние. При совпадении частоты сигнала с частотой резонанса свободного конца затвора последний вибрирует под действием электрического поля между затвором и сигнальным электродом. Механические колебания, генерируемые при этом, могут иметь частоту от 1 кГц до 1 МГц.

На пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в из­менении размеров образца материала под действием электри­ческого поля, основана работа кварцевых генераторов и филь­тров, а также ультразвуковых линий задержки. Пьезоэлектри­ческие преобразователи возбуждают с помощью электрических сигналов акустические волны и осуществляют обратное преобра­зование акустических волн в электрический сигнал.

Магнитоэлектроника основана на использовании свойств сла­бых ферромагнетиков и магнитных полупроводников, которые имеют малую намагниченность насыщения и позволяют управ­лять движением намагниченных микроминиатюрных областей в трех измерениях. Используется для хранения, обработки и перемещения больших объемов информации, причем для хране­ния информации не требуется питания, а при ее перемеще­нии выделяется очень небольшая мощность рассеяния.

Квантовая микроэлектроника основана на явлениях, которые возникают при изменении структуры тел на молекулярном уровне при их конденсации. Это сопровождается изменением оптических, электрических и магнитных свойств твердых тел и жидких крис­таллов при высокой чувствительности к внешним воздействиям, что используют для управления и преобразования потоков ин­формации в различных функциональных устройствах.

Биоэлектроника, одно из направлений бионики, использует явления живой природы на молекулярном уровне. Она исследует принципы хранения и обработки информации в живых организ­мах для создания сверхсложных систем обработки информации, подобных по своим функциональным возможностям человечес­кому мозгу. Биоэлектроника изучает нервную систему животных и человека для совершенствования микроэлектронных устройств и разработки для них новых элементов. Использование явлений живой природы в микроэлектронике — это перспективное направ­ление, которое таит в себе огромные возможности.

Диэлектрическая электроника использует свойства тонких пленок диэлектриков, возникающие при контакте их с тонкими пленками металла. При этом из металла в диэлектрик эмитти- руются электроны, которыми обогащается приконтактный слой диэлектрика. Они распространяются во всем объеме тонкой ди­электрической пленки благодаря очень малой ее толщине и опре­деляют проводящие свойства диэлектрической пленки. Если меж­ду двумя пленочными металлическими электродами с разными значениями работы выхода расположить тонкую пленку диэлек­трика толщиной в единицы микрометра, то электроны будут переходить из металла с меньшей работой выхода в диэлектрик, заполнять всю его толщину и под действием приложенного внешнего напряжения создавать ток в диэлектрике. На этом основан принцип действия диэлектрических диодов и транзисто­ров, характеристики которых аналогичны соответствующим характеристикам электровакуумных диодов и триодов.

Хемотроника (ионика) изучает физико-химические и электро­химические процессы, протекающие в жидкостях. В электрохими­ческих приборах жидкость служит электролитом, используются ионные процессы. На основе электрохимических явлений созданы приборы, выполняющие функции выпрямителей, усилителей и ря­да других преобразователей сигнала, а также управляемые со­противления и запоминающие устройства.

Управляемое сопротивление выполняет функции переменного резистора, не имеющего движущихся контактов. Управляемое сопротивление представляет собой резистивный электрод из инертного металла, например платины, от концов которого сдела­ны два вывода. Между этими выводами электрод имеет опре­деленное омическое сопротивление. Управление его величиной осуществляется с помощью второго электрода из меди, имеющего свой вывод. Оба электрода помещены в герметический корпус, пространство между ними заполнено электролитом, содержащим соединения меди. При подаче постоянного напряжения, когда резистивный электрод является катодом, а управляющий — ано­дом, происходит электролиз, в результате которого медь из элек­тролита осаждается на резистивном электроде, уменьшая его сопротивление, а управляющий электрод частично растворяется в электролите. Если изменить полярность управляющего напря­жения, то слой меди на резистивном электроде (аноде) начнет растворяться, а на управляющем (катоде) осаждаться. В резуль­тате этого сечение резистивного электрода уменьшится, а его сопротивление возрастет. После прекращения подачи управляю­щего сигнала сопротивление остается неизменным, таким, как оно было в момент выключения сигнала, т. е. «запоминается» прибором надолго.

Созданы также электрохимические твердотельные приборы, называемые ионисторами. Они имеют большую емкость (более 50 Ф), долго сохраняют заряд и могут быть использованы в ка­честве низковольтного источника питания в микроэлектронной аппаратуре, а также в качестве запоминающего устройства.

Функциональные микросхемы могут быть основаны и на дру­гих явлениях и физических процессах в твердом теле.

Одной из важных самостоятельных областей функциональ­ной микроэлектроники является оптоэлектроника. В оптоэлек­тронных устройствах осуществляется преобразование электри­ческих сигналов в оптические и наоборот; световой луч при этом выполняет такие же функции управления, преобразования и связи, как электрический сигнал в электрических цепях. Преиму­щества оптоэлектронных устройств объясняются тем, что их элементы связаны оптически, но изолированы друг от друга электрически. В то время как электроны являются заряженными частицами и взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, частицы светового луча — фотоны — электрически ней­тральны, не взаимодействуют друг с другом, не смешиваются и не рассеиваются. При этом исключаются паразитные связи меж­ду выходом и входом, легко согласовать высокоомные и низко­омные цепи, а также высокочастотные и низкочастотные, высоко­вольтные и низковольтные цепи, получить идеальную изоляцию.

Недостатком оптических систем является то, что оптический сигнал нельзя использовать для непосредственного преобразова­ния его в механическую энергию, чтобы привести в движение реле, двигатели и другие механизмы. Для осуществления раз­личных функций в оптоэлектронике обычно объединяют опти­ческие и электрические системы. Различают два направления оптоэлектроники: оптическое и электронно-оптическое.

Оптическим направлением оптоэлектроники является лазерное направление, использующее эффекты взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением, голографию, фотохимию.

Электронно-оптическое направление использует электролюми­несценцию, т. е. излучение света под действием электрического тока, и фотоэлектрические свойства элементов, преобразующих световую энергию в электрическую. Это применяется в микро­электронике для создания функциональных оптоэлектронных микросхем, которые по сравнению с интегральными микро­схемами позволяют значительно уменьшить паразитные связи между элементами внутри микросхемы и между микросхемами, а также повысить плотность информации, быстродействие, помехозащищенность и надежность устройств.

Методами оптоэлектроники могут быть созданы следующие устройства: преобразователи электрических сигналов — ключи, переключатели, усилители, генераторы, логические схемы и эле­менты памяти ЭВМ; преобразователи оптических сигналов — твердотельные электронно-оптические и электроннолучевые при­боры, например усилители света и изображения, передающие и воспроизводящие экраны; устройства отображения информа­ции — цифровые табло, индикаторные экраны и др.

Главным структурным элементом или компонентом оптоэлек­троники является оптрон, основу которого составляет оптронная пара — фотоизлучатель и фотоприемник. Фотоизлучателем в принципе может быть любой управляемый источник света, свето­вой поток или яркость которого однозначно зависит от электри­ческого сигнала, поступающего на его вход. Фотоизлучатели должны удовлетворять требованиям миниатюрности, малой по­требляемой мощности, высокой эффективности и надежности, долговечности, механической прочности и технологичности. Наи­большее распространение в качестве фотоизлучателей в оптронах нашли светодиоды, относящиеся к электролюминесцентным источникам света. В качестве фотоприемников используют полу­проводниковые приборы, преобразующие световое излучение в электрические сигналы: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзис­торы и фототиристоры.

При подборе фотоизлучателя и фотоприемника в оптрон- ную пару необходимо согласовать их спектральные характерис­тики.

Между фотоизлучателем и фотоприемником должна быть среда, которая играет роль световода. К материалу световода предъявляются определенные требования: он должен быть про­зрачен в рабочей области, обладать большим коэффициентом преломления, высокой плотностью прилегания к материалам источника и приемника света и иметь с этими материалами одинаковый температурный коэффициент расширения. Большой коэффициент преломления необходим для уменьшения потерь света при отражении от границы светодиода и световода. Мате­риалы с большим коэффициентом преломления называют иммер­сионными. В качестве световодов большое распространение по­лучили иммерсионные стекла — свинцовые и селеновые, а также волоконная оптика — тонкие нити стекла или пластмассы (во­локна). Светопроводящие волокна покрывают светоизолирую­щими материалами и соединяют в многожильные световые кабе­ли, проводящие свет подобно тому, как многожильные метал­лические кабели проводят электрический ток. С помощью воло­конной оптики можно получить большое количество каналов для передачи оптической информации. Волокна световода можно изгибать и скручивать, причем каждое волокно все равно будет передавать свой оптический сигнал, например определенный элемент изображения.

В микроэлектронике используют только те оптронные пары, которые можно изготовить методами интегральной технологии, совместимыми с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем.

Оптроном называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник светового излучения, которые объединены конструктивно и имеют оптическую (фотон­ную) или электрическую внутреннюю связь (рис. 5.13). Оптрон имеет вход и выход. Цепи входа и выхода называют внешними связями, в отличие от связи между источником и приемником света внутри оптрона.

Рис. 5.13. Структурные схемы оптронов: а — с внутренней фотонной связью; б — с внутренней электрической связью;

/ — фотоизлучатель; 2 — фотоприемник, 3 — световод, 4— усилитель электрического сигнала

В зависимости от вида внутренней, а следовательно, и внеш­них связей различают два типа оптронов: первый, основной, тип — с фотонной внутренней связью — имеет электрические внешние связи; второй — с электрической внутренней связью — имеет фотонные внешние связи.

Рассмотрим принцип действия этих оптронов.

В оптроне с внутренней фотонной связью (рис. 5.13, а) на вход подается электрический сигнал; под действием этого сиг­нала в фотоизлучателе, например светодиоде, проходит ток, возбуждающий свечение; световой поток по световоду попадает на фотоприемник, например фотодиод, в результате чего в его цепи проходит ток. Изменение напряжения на входе или входно­го тока светодиода вызывает изменение яркости его свечения или светового потока, а это в свою очередь вызывает измене­ние тока и напряжения на выходе фотоприемника, т. е. появляет­ся электрический сигнал на выходе. В этом случае в оптроне происходит преобразование вида: электрический сигнал — опти­ческий сигнал — электрический сигнал. Такой оптрон может слу­жить для усиления электрических сигналов. Поскольку внут­ренней электрической связи в нем нет, получается идеальная гальваническая развязка выходной и входной цепей и одно­сторонняя направленность сигнала.

К параметрам оптрона с внутренней фотонной связью отно­сятся максимально допустимый входной ток, максимально допус­тимое входное напряжение, сопротивление изоляции, проходная емкость, выходные параметры фотоприемника.

Сопротивление изоляции оптрона очень велико; оно может достигать 10¹²—10¹⁴ Ом. Проходная емкость очень мала: порядка 1(Г² пФ.

Оптрон с внутренней электрической и внешними фотонными связями (рис. 5.13, б) осуществляет преобразование вида: оп­тический сигнал — электрический сигнал — оптический сигнал. Входным сигналом является световой поток, который поступает на фотоприемник, например фотодиод. Изменения светового потока вызывают изменение тока в выходной цепи фотоприем­ника, а следовательно, и во входной цепи фотоизлучателя. Световой поток фотоизлучателя, например светодиода, изме­няется с изменением проходящего через него тока. Между фотоприемником и фотоизлучателем обычно включается усили­тель электрических сигналов, для того чтобы через источник света проходил больший ток. Это увеличивает яркость свечения. Рассмотренный тип оптрона может служить усилителем опти­ческих сигналов и преобразователем частоты этих сигналов; например, сигналов инфракрасного или рентгеновского излуче­ния — в сигналы видимого спектра.

Оптрон может быть изготовлен из дискретных элементов — бескорпусных светодиода и фотодиода, помещенных в о'бщий герметичный металлический корпус. Такой оптрон внутри зали­вают специальным стеклом, служащим световодом; корпус имеет четыре наружных вывода — два входных и два выходных. Струк­тура такого оптрона показана на рис. 5.14, а. Условное графи­ческое обозначение оптронов с фотонными связями при исполь­зовании разных типов фотоприемников показано на рис. 5.14,6.

В микроэлектронике оптроны изготовляют в едином техно­логическом процессе методом интегральной технологии одновре­менно с другими элементами микросхемы оптоэлектронного изделия. Структура оптрона, применяемого в оптоэлектронных ИМС, приведена на рис. 5.14, в. Фотоприемник формируется по планарно-диффузионной технологии на основе кремния /г-типа, в котором создается слой p-типа. Полученная структура с р-п переходом представляет собой фотодиод. На него наносится иммерсионная среда, например селеновое стекло, являющееся световодом. На этом слое формируется р-п переход светодиода на основе арсенида галлия GaAs л-типа с диффузионным слоем p-типа. На каждом слое создаются омические контакты для присоединения внешних выводов.

Для интегральных оптоэлектронных схем создают световоды в виде диэлектрических тонкопленочных микроволноводов оптичес­кого диапазона: на прозрачную подложку методами микроэлект­роники (вакуумного напыления или эпитаксиального наращива­ния) наносят тонкий слой светопроводящего диэлектрического или полупроводникового материала, который имеет коэффициент преломления более высокиий, чем подложка. Этот световод — полоска пленки толщиной 0,5 мкм и длиной 1-г-З мкм — удерживает световой луч в своих пределах благодаря полному внутреннему отражению на границе с подложкой. Таким методом с помощью маски на подложку можно наносить световоды любой конфигурации и создавать сложные оптические схемы с

Вход

Рис. 5.14. Оптроны: а — структура оптрона на дискретных бескор- пусных светодиоде (/) и фотодиоде (2); б — условное графическое обозначение оптронов: резисторного, диодного, транзисторного и тиристорного (3, 4, 5, 6); в — структура интегрального микроэлек­тронного оптрона; 7 — фотоизлучатель; 8 — светодиод; 9 — фото­приемник; 10 — омические контакты для выводов

разветвляющимися микроволноводами. Этим занимается инте­гральная оптика.

Мы рассмотрели простейшие оптроны, в которых источником света является светодиод, а фотоприемником служит фотодиод. Такой диодный оптрон имеет большое сопротивление между це­пями входа и выхода и используется в качестве ключа. Его выходное сопротивление при отсутствии светового потока, когда фотодиод закрыт, составляет 10²—10⁴ МОм, т. е. цепь оказывает­ся разомкнутой, а при наличии светового потока, в открытом состоянии, сопротивление уменьшается в миллионы раз (до 10²—Ю⁴Ом). Быстродействие диодного оптрона позволяет про­изводить переключения тока с частотой 10⁶—10⁷ Гц.

Транзисторные оптроны содержат в качестве фотоприемника фототранзистор, который имеет большую чувствительность, чем фотодиод. Поэтому транзисторные оптроны более экономичны. По сравнению с диодными оптронами их быстродействие мень­ше: максимальная частота переключений до 10 Гц.

В тиристорных оптронах в качестве фотоприемника исполь­зуют фототиристор, в результате чего увеличивается допустимый импульс выходного тока: более 5 А при входном токе менее 10 мА. Эти оптроны могут быть использованы для управления мощными цепями сильноточных устройств.

Рассмотренные три вида оптронов применяются в основном в качестве быстродействующих ключей и работают в ключевом режиме, т. е. могут находиться в двух крайних состояниях — открытом и закрытом.

При автоматическом управлении различными цепями для бес­контактных регулировок используют резисторные оптроны, в ко­торых фотоприемником служит фоторезистор. Их быстродействие невелико, но более широк диапазон величин входных сигналов и меньше темновой ток.

Более сложные оптроны могут содержать помимо фото­излучателя и фотоприемника электронный усилитель на выходе фотоприемника, причем все эти элементы формируются методами микроэлектроники на одной кремниевой подложке и заключаются в корпус.

Система обозначения оптронов в качестве первого элемента содержит букву, определяющую материал светодиода; например, А — арсенид галлия и другие соединения галлия, К — карбид кремния и другие его соединения; второй элемент — буква О — оптрон; третий элемент — буква, определяющая тип оптрона по виду фотоприемника: Р — резисторный, Д — диодный, Т — транзисторный, У — тиристорный; четвертый и пятый элементы такие же, как для светодиодов. Например, АОДЮ1 —диодный оптрон светодиод — фотодиод на основе арсенида галлия, малой мощности, порядковый номер 01.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные направления функциональной микроэлектроники.

2. Какие функции выполняют оптоэлектронные устройства и в чем их пре­имущества перед электронными устройствами?

3. Что представляет собой оптронная пара?

4. Какие бывают типы оптронов в зависимости от вида внутренней и внешних связей оптронной пары? Нарисуйте их структурные с*емы.

Вайсбурд Ф. И., Панаев Г. А., Савельев Б. Н. Электронные при­боры и усилители. М.: Радио и связь, 1987.

Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. М.: Высшая школа, 1982.

Джакония В. Е. и др. Телевидение. М.: Радио и связь, 1986.

Ефимов И. Е., Козырь И. Я. Основы микроэлектроники. М.: Выс­шая школа, 1983.

Жеребцов И. П. Основы электроники.М.: Энергоатомиздат, 1985.

Забродин Ю. С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982.

Криштафович А. К. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1984.

Криштафович А. К-, Трифонок В. В. Основы промышленной элект­роники. М.: Высшая школа, 1985.

Овечкин Ю. А. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1979.

Сапаров В. Е., Максимов Н. А. Система стандартов в электро­связи и радиоэлектронике. М.: Радио и связь, 1985.

Харченко В. М. Основы электроники. М.: Энергоиздат, 1982.

Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и ин­тегральным схемам. Под общ. ред. Горюнова Н. Н. Изд. 5-е М.: Энергия, 1979.

От авторов 3 Введение 5

Раздел 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ 11

Глава 1.1. Электропроводность полупроводников 11

Глава 1.2. Электронно-дырочный переход 24

Глава 1.3. Полупроводниковые диоды 37

Глава 1.4. Биполярные транзисторы 52

Глава 1.5. Полевые транзисторы 73

Глава 1.6. Тиристоры 85

Глава 1.7. Однопереходные транзисторы 98

Раздел 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ 106

Глава 2.1. Электронная эмиссия 106

Глава 2.2. Триод 110

Глава 2.3. Многоэлектродные лампы 123

Раздел 3. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ 136

Глава 3.1. Электроннолучевые трубки 136 Глава 3.2. Электровакуумные фотоэлектронные приборы 159 Глава 3.3. Полупроводниковые фотоэлектронные приборы 170 Глава 3.4. Светоизлучающие диоды 185

Раздел 4. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ 193

Глава 4.1. Электрический разряд в газе 193 Глава 4.2. Приборы тлеющего разряда 199

Раздел 5. ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 203

Глава 5.1. Миниатюризация и микроминиатюризация электронных устройств 203 Глава 5.2. Интегральные микросхемы 206 Глава 5.3. Элементы интегральных микросхем 212 Глава 5.4. Виды интегральных микросхем 222 Глава 5.5. Функциональная микроэлектроника 229

1 Один электрон-вольт (1 эВ)—это энергия, которую приобретает электрон, пройдя в электрическом поле разность потенциалов в 1 В.