Введение в электронику

Техники по электронике совершенствуют, производят и обслуживают электронное оборудование, используя при этом сложное измерительное и диагностическое оборудование для проверки, настройки и ремонта электронного оборудования. Это оборудование включает радио, радиолокацию, системы звуковой локации, телевидение, компьютеры, а также промышленные и медицинские контрольно-измерительные устройства.

Техники помогают инженерам устанавливать оборудование, ставить эксперименты и вычислять результаты. Они также помогают инженерам в изготовлении макетов разработанного оборудования и выполняют стандартные работы по проектированию. Некоторые техники по электронике работают продавцами или представителями фирм для того, чтобы давать советы по установке и эксплуатации сложного оборудования. Большинство техников по электронике работают в лабораториях, магазинах по продаже электроники или на промышленных предприятиях; девяносто процентов работают на частных предприятиях.

Чтобы стать техником по электронике, необходимо пройти официальную подготовку. Такую подготовку дают военные колледжи, профессионально-технические школы или домашние учебные программы.

Ожидается, что потребность в техниках по электронике к 2000 году увеличится. Это обусловлено растущими потребностями в компьютерах, коммуникационном оборудовании, военной электронике и в бытовой электронной технике. Увеличение потребности в технике обеспечит возможности работы, возникнет необходимость в замене техников, которые получили повышение, ушли на другую работу или вообще ее оставили.

Глава 19. Основы полупроводников

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

Полупроводники являются основными компонентами электронного оборудования. Наиболее часто используются полупроводниковые диоды (для выпрямления сигналов), транзисторы (используются для усиления сигналов) и интегральные микросхемы (используются для переключения схем или усиления сигналов). Основная функция полупроводниковых приборов — управление напряжением или током для получения желаемого результата.

Полупроводники имеют следующие преимущества:

• Малые размеры и вес.

• Низкую потребляемую мощность при низком напряжении.

• Высокий коэффициент полезного действия.

• Высокую надежность.

• Способность работать в сложных условиях.

• Немедленно начинают работать при включении питания.

• Недорогое массовое производство.

Полупроводники имеют следующие недостатки:

• Высокую восприимчивость к изменениям температуры.

• Для стабилизации режима необходимы дополнительные компоненты.

• Легко повреждаются (при превышении допустимых пределов по току или напряжению, при перемене полярности питающего напряжения, от перегрева при пайке).

Проводимость полупроводниковых материалов лежит между проводимостью изоляторов и проводников. Чистыми полупроводниковыми элементами являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si). Наиболее подходят для применения в электронике германий и кремний.

Германий — это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 году. Порошкообразную двуокись германия получают из золы некоторых сортов угля. Из этого порошка получают твердый чистый германий.

Кремний был открыт в 1823 году. Он широко распространен в земной коре в виде белого или иногда бесцветного соединения — двуокиси кремния. Двуокисью кремния богат песок, кварц, агат и кремень. Из двуокиси кремния химическим путем получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.

Полупроводниковый материал после получения должен быть модифицирован, чтобы он приобрел качества, необходимые для полупроводниковых устройств.

Как описано в главе 1, в центре атома находится ядро, которое содержит протоны и нейтроны. Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны заряда не имеют. Электроны движутся по орбитам вокруг ядра и имеют отрицательный заряд. На рис. 19-1 показана структура атома кремния.

Рис. 19-1. Атомная структура кремния.

Первая орбита содержит два электрона, вторая орбита восемь, а внешняя орбита или валентная оболочка содержит четыре электрона. Валентность — это показатель способности атома присоединять или отдавать электроны, она определяет электрические и химические свойства атома. На рис. 19-2 показана упрощенная схема атома кремния, на которой изображено только четыре электрона на валентной оболочке.

Рис. 19-2. Упрощенная схема атома кремния, па которой показаны только валентные электроны.

Материалы, которым необходимы электроны для заполнения их валентной оболочки, являются нестабильными и относятся к активным материалам. Для приобретения стабильности, активные материалы должны добавить электроны в свои валентные оболочки. Атомы кремния способны объединить свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью процесса, который называется ковалентной связью (рис. 19-3).

Рис. 19-3. Кристаллическая структура кремния с ковалентными связями.

Ковалентная связь — это процесс совместного использования валентных электронов различными атомами, приводящий к образованию кристалла.

Каждый атом в такой кристаллической структуре имеет четыре своих собственных электрона и четыре совместно используемых электрона от четырех других атомов, а всего — восемь валентных электронов. Ковалентная связь ввиду своей стабильности не может поддерживать электрическую активность.

При комнатной температуре кристаллы чистого кремния являются плохими проводниками. Они ведут себя, как изоляторы. Однако если кристаллу сообщить тепловую энергию, то некоторые электроны получат эту энергию и переместятся на более высокую орбиту, нарушая ковалентную связь. Это позволяет кристаллу проводить ток.

Кремний, подобно другим полупроводниковым материалам, имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, потому что при повышении температуры его сопротивление уменьшается. Сопротивление кремния падает в два раза при каждом повышении температуры на б градусов Цельсия.

Как и кремний, германий имеет четыре электрона на валентной оболочке и может образовывать кристаллическую структуру. Сопротивление германия падает в два раза при каждом повышении температуры на 10 градусов Цельсия. Таким образом, германий является более стабильным по отношению к изменениям температуры, чем кремний. Однако германий требует меньше тепловой энергии для освобождения электронов, чем кремний. При комнатной температуре кремний имеет в тысячу раз большее сопротивление, чем германий.

Тепло при работе с полупроводниками является потенциальным источником трудностей, который нелегко поддается контролю. Правильный расчет цепи минимизирует влияние изменений температуры. Высокое сопротивление — вот что дает преимущество кремнию перед германием в большинстве цепей. В тех цепях, где температурный коэффициент сопротивления германия имеет преимущество, используется германий.

Все первые транзисторы были сделаны из германия. Кремниевых транзисторов не было до 1954 года. В настоящее время в большинстве случаев используются кремниевые полупроводниковые приборы.

19-1. Вопросы

Электрическая активность полупроводниковых материалов сильно зависит от температуры. При крайне низких температурах валентные электроны сильно связаны с атомами ковалентными связями. Поскольку эти валентные электроны не способны дрейфовать, материал не может проводить электрический ток. Кристаллы германия и кремния при низких температурах являются изоляторами.

При повышении температуры валентные электроны приобретают дополнительную энергию. Некоторые электроны разрывают ковалентные связи и хаотично дрейфуют от атома к атому. Эти свободные электроны в состоянии поддерживать небольшой электрический ток, если приложено напряжение. При комнатной температуре тепловой энергии достаточно для того, чтобы создать небольшое количество свободных электронов и поддержать небольшой ток.

При увеличении температуры материал начинает приобретать характеристики проводника. Но только при очень высоких температурах кремний проводит ток, как обычный проводник. Обычно, при нормальных условиях эксплуатации такие высокие температуры не встречаются.

Когда электрон разрывает ковалентную связь и уходит от атома, пространство, которое он занимал прежде, называют дыркой (рис. 19-4).

Рис. 19-4. Дырка образуется, когда электрон разрывает свою ковалентную связь.

Как отмечалось в главе 2, дырка — это просто отсутствие электрона. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, его отсутствие представляет собой потерю отрицательного заряда, и, следовательно, дырка может считаться положительно заряженной частицей. Если электрон перемещается от одной валентной оболочки к другой, он оставляет за собой дырку. Если это движение непрерывно, то дырка движется в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Каждый электрон и соответствующая ему дырка называются электронно-дырочной порой. Количество электронно-дырочных пар увеличивается при увеличении температуры. При комнатной температуре существует небольшое количество электронно-дырочных пар.

Когда к чистому полупроводниковому материалу приложено напряжение, свободные электроны притягиваются к положительному выводу источника тока (рис. 19-5).

Рис. 19-5. Ток в чисто полупроводниковом материале.

Дырки, созданные движением свободных электронов, дрейфуют по направлению к отрицательному выводу. Сколько электронов втекает в положительный вывод, столько же электронов покидает отрицательный вывод источника. После рекомбинации электроны и дырки перестают существовать.

Короче говоря, дырки постоянно дрейфуют по направлению к отрицательному выводу источника тока. Электроны всегда движутся по направлению к положительному выводу. Ток, текущий через полупроводник, состоит из движения и электронов, и дырок. Величина тока определяется количеством электронно-дырочных пар в материале. Способность поддерживать ток увеличивается при увеличении температуры материала.

19-2. Вопросы

Чистые полупроводники являются объектом, главным образом, теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Если бы этих примесей не было, то большинства полупроводниковых приборов не существовало бы.

Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется процесс, называемый легированием.

Легирование — это процесс добавления примесей в полупроводниковый материал. Используются два типа примесей. Первая, которая называется пятивалентной, состоит из атомов с пятью валентными электронами. Примерами являются мышьяк и сурьма. Вторая, называемая трехвалентной, состоит из атомов с тремя валентными электронами. Примерами являются индий и галлий.

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис. 19-6). Атом мышьяка размещает четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным.

Рис. 19-6. Кремний, легированный атомом мышьяка.

Атом мышьяка называется донорским атомом, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится много донорских атомов. Это означает, что для поддержки тока имеется много свободных электронов.

При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Следовательно, электроны называются основными носителями. Дырки называются неосновными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, материал называется полупроводником n-типа.

Если к полупроводнику n-типа приложено напряжение (рис. 19-7), то свободные электроны, добавленные донорскими атомами, начнут двигаться по направлению к положительному выводу. Кроме того, к положительному выводу начнут двигаться электроны, которые смогут разрушить свои ковалентные связи. Эти электроны, разрушив ковалентные связи, создадут электронно-дырочные пары. Соответствующие дырки будут двигаться по направлению к отрицательному выводу.

Рис. 19-7. Ток в полупроводнике n-типа.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентным материалом, таким, как индий (In), атомы индия разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов (рис. 19-8). Это создаст в ковалентной связи дырку.

Рис. 19-8. Кремний, легированный атомом индия.

Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными.

При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником р-типа.

Если к полупроводнику p-типа приложено напряжение, дырки начинают двигаться по направлению к отрицательному выводу, а электроны — по направлению к положи- тельному выводу (рис. 19-9). Кроме дырок, которые создали акцепторные атомы, возникают дырки, образованные из-за разрыва ковалентных связей, создающие электронно-дырочные пары.

Рис. 19-9. Ток в полупроводнике р-типа.

Полупроводниковые материалы n-типа и p-типа имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводниковые материалы. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.

19-3. Вопросы

РЕЗЮМЕ

• Полупроводниковыми материалами являются любые материалы, проводимость которых лучше проводимости изоляторов, но хуже проводимости проводников.

• Чисто полупроводниковыми материалами являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si).

• В большинстве полупроводниковых приборов используется кремний.

• Валентность — это показатель способности атома присоединять или отдавать электроны.

• Полупроводниковые материалы имеют наполовину заполненные валентные оболочки.

• Кристаллы образуются из атомов, которые совместно используют свои валентные электроны путем образования ковалентных связей.

• Полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления: при повышении температуры их сопротивление падает.

• Тепло создает проблемы в полупроводниковых материалах, позволяя электронам разрывать ковалентные связи.

• При повышении температуры, электроны в полупроводниковом материале дрейфуют от одного атома к другому.

• Дырка представляет собой отсутствие электрона в валентной оболочке.

• Разность потенциалов, приложенная к чисто полупроводниковому материалу, создает поток электронов, движущийся к положительному выводу и поток дырок, движущийся к отрицательному выводу.

• Ток в полупроводниковых материалах состоит из направленного движения электронов и направленного движения дырок.

• Легирование — это процесс добавления примесей в полупроводниковый материал.

• Трехвалентные материалы имеют атомы с тремя валентными электронами и используются для изготовления полупроводников р-типа.

• Пятивалентные материалы имеют атомы с пятью валентными электронами и используются для изготовления полупроводников n-типа.

• В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями, а дырки — неосновными носителями.

• В полупроводнике р-типа дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями.

• Полупроводниковые материалы n- и р-типа имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводниковые материалы.

Глава 19. САМОПРОВЕРКА

Глава 20. Диоды на основе р-n перехода

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

Диод — это простейший полупроводниковый прибор. Он позволяет току течь только в одном направлении. Знания, полученные при изучении диодов применимы также к другим типам полупроводниковых приборов.

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным или трехвалентным материалом, легированный материал называется полупроводником n- или р-типа, в зависимости от того, какие носители являются основными. В целом образец полупроводника любого типа является нейтральным, так как каждый атом содержит одинаковое число протонов и электронов.

Независимые электрические заряды существуют в полупроводниковых материалах каждого типа, так как электроны могут свободно дрейфовать. Дрейфующие электроны и дырки называются подвижными зарядами. Кроме подвижных зарядов, каждый атом, который теряет электрон, считается положительным зарядом, так как он имеет больше протонов, чем электронов. Аналогично, каждый атом, который присоединяет электрон, имеет больше электронов, чем протонов и считается отрицательным зарядом. Как указывалось в главе 1, эти заряженные атомы называются положительными и отрицательными ионами. В полупроводниковых материалах n- и р-типа всегда содержится равное количество подвижных и ионных зарядов.

Диод создается соединением двух полупроводников n- и р-типа (рис. 20-1). В месте контакта этих материалов образуется переход. Это устройство называется диодом на основе р-n перехода.

Рис. 20-1. Диод создается соединением вместе двух материалов р- и n-типа, образующих р-n переход.

При формировании перехода подвижные заряды в его окрестности притягиваются к зарядам противоположного знака и дрейфуют по направлению к переходу. По мере накопления зарядов этот процесс усиливается. Некоторые электроны перемещаются через переход, заполняя дырки вблизи перехода в материале р-типа. В материале n-типа в области перехода электронов становится меньше. Эта область перехода, где концентрация электронов и дырок уменьшена, называется обедненным слоем. Он занимает небольшую область с каждой стороны перехода.

В обедненном слое нет основных носителей, и материалы n-типа и р-типа не являются больше электрически нейтральными. Материал п-типа становится положительно заряженным вблизи перехода, а материал р-типа — отрицательно заряженным.

Обедненный слой не может стать больше. Взаимодействие зарядов быстро ослабевает при увеличении расстояния, и слой остается малым. Размер слоя ограничен зарядами противоположного знака, расположенными по обе стороны перехода. Как только отрицательные заряды располагаются вдоль перехода, они отталкивают другие электроны и не дают им пересечь переход. Положительные заряды поглощают свободные электроны и также не дают им пересечь переход.

Эти заряды противоположного знака, выстроившиеся с двух сторон перехода, создают напряжение, называемое потенциальным барьером. Это напряжение может быть представлено как внешний источник тока, хотя существует только на р-n переходе (рис. 20-2).

Рис. 20-2. Потенциальный барьер, существующий вблизи р-n перехода.

Потенциальный барьер довольно мал, его величина составляет только несколько десятых долей вольта. Типичные значения потенциального барьера — 0,3 вольта для р-n перехода в германии, и 0,7 вольта для р-n перехода в кремнии. Потенциальный барьер проявляется, когда к р-n переходу прикладывается внешнее напряжение.

20-1. Вопросы

Напряжение, приложенное к диоду, называется напряжением смещения. На рис. 20-3 показан диод на основе р-n перехода, соединенный с источником тока. Резистор добавлен для ограничения тока до безопасного значения.

Рис. 20-3. Диод на основе р-n перехода при прямом смещении.

В изображенной цепи отрицательный вывод источника тока соединен с материалом n-типа. Это заставляет электроны двигаться от вывода по направлению к р-n переходу. Свободные электроны, накопившиеся на р-стороне перехода притягиваются к положительному выводу. Это уменьшает количество отрицательных зарядов на р-стороне, потенциальный барьер уменьшается, что дает возможность для протекания тока. Ток может течь только тогда, когда приложенное напряжение превышает потенциальный барьер.

Источник тока создает постоянный поток электронов, который дрейфует через материал n-типа вместе с содержащимися в нем свободными электронами. Дырки в материале р-типа также дрейфуют по направлению к переходу. Электроны и дырки собираются на переходе и взаимно уничтожаются. Однако в то время как электроны и дырки взаимно компенсируются, на выводах источника тока появляются новые электроны и дырки. Большинство носителей продолжает двигаться по направлению к р-n переходу, пока приложено внешнее напряжение.

Поток электронов через p-часть диода притягивается к положительному выводу источника тока. Как только электроны покидают материал р-типа, создаются дырки, которые дрейфуют по направлению к р-n переходу, где они взаимно компенсируются с другими электронами. Когда ток течет от материала n-типа к материалу р-типа, то говорят, что диод смещен в прямом направлении.

Ток, текущий через диод, смещенный в прямом направлении, ограничен сопротивлением материалов р- и n-типа и внешним сопротивлением цепи. Сопротивление диода невелико. Следовательно, подсоединение источника тока к диоду в прямом направлении создает большой ток. При этом может выделиться такое количество тепла, которого достаточно для разрушения диода. Для того, чтобы ограничить ток, последовательно с диодом необходимо включить резистор.

Диод проводит ток в прямом направлении только тогда, когда величина внешнего напряжения больше потенциального барьера. Германиевый диод требует минимальное прямое смещение 0,3 вольта; кремниевый диод — минимальное прямое смещение 0,7 вольта.

Когда диод начинает проводить ток, на нем появляется падение напряжения. Это падение напряжения равно потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения (Е_р). Падение напряжения равно 0,3 вольта для германиевого диода и 0,7 вольта для кремниевого диода. Величина прямого тока (I_к) является функцией приложенного напряжения (Е), прямого падения напряжения (Е_р) и внешнего сопротивления (R). Это соотношение можно получить с помощью закона Ома:

I = E/R,

I_F = (E — E_F)/R

_{ПРИМЕР: К кремниевому диоду, последовательно соединенному с резистором 150 ом, приложено напряжение смещения 12 вольт. Чему равен прямой ток через диод?}

_Дано:

_{Е = 12 В; R = 150 Ом; ЕF = 0,7 В.}

_{IF =?}

_{Решение:}

_{IF = (E — EF)/R = (12 — 0,7)/150}

_{IF = 0,075 А или 75 мА.}

В диоде, на который подано напряжение смещения в прямом направлении, отрицательный вывод внешнего источника тока соединен с материалом n-типа, а положительный вывод с материалом р-типа. Если эти выводы поменять местами, диод не будет проводить ток и про него говорят, что он смещен в обратном направлении (рис. 20-4).

Рис. 20-4. Диод на основе р-n перехода при обратном смещении.

В этой конфигурации свободные электроны в материале n-типа притягиваются к положительному выводу внешнего источника тока, что увеличивает количество положительных ионов в области р-n перехода, а, следовательно, увеличивает ширину обедненного слоя со стороны материала n-типа р-n перехода. Электроны также покидают отрицательный вывод источника тока и поступают в материал р-типа. Эти электроны заполняют дырки вблизи р-n перехода и служат причиной перемещения дырок по направлению к отрицательному выводу, что увеличивает ширину обедненного слоя со стороны материала р-типа р-n перехода. В результате обедненный слой становится шире, чем в несмещенном или смещенном в прямом направлении диоде.

Приложенное в обратном направлении напряжение смещения увеличивает потенциальный барьер. Если напряжение внешнего источника равно величине потенциального барьера, электроны и дырки не могут поддерживать протекание тока. При обратном напряжении смещения течет очень маленький ток, этот ток утечки называется обратным током (I_R) и существует благодаря наличию неосновных носителей. При комнатной температуре неосновных носителей очень мало. При повышении температуры создается больше электронно-дырочных пар. Это увеличивает количество основных носителей и ток утечки.

Все диоды с р-n переходом обладают малым током утечки. В германиевых диодах он измеряется в микроамперах; в кремниевых диодах — в наноамперах. Германий имеет больший ток утечки, так как он более чувствителен к температуре. Этот недостаток германия компенсируется его невысоким потенциальным барьером.

Суммируя вышесказанное, можно сказать, что диод на основе р-n перехода является устройством, пропускающим ток только в одном направлении. Когда смещен в прямом направлении — ток течет. Когда смещен в обратном направлении — течет только маленький ток утечки. Это свойство позволяет использовать диод в качестве выпрямителя. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное.

20-2. Вопросы

Как германиевый, так и кремниевый диоды могут быть повреждены чрезмерным нагреванием или высоким обратным напряжением. Производители указывают максимальный прямой ток (I_F max), который может безопасно течь через диод. Они также указывают максимальное обратное напряжение (пиковое обратное напряжение). Если превысить пиковое обратное напряжение, то через диод потечет большой обратный ток, создающий избыточный нагрев и повреждающий диод.

При комнатной температуре обратный ток мал. При повышении температуры обратный ток увеличивается, нарушая работу диода. В германиевых диодах обратный ток выше, чем в кремниевых диодах, удваивается при повышении температуры приблизительно на 10 градусов Цельсия.

Схематическое обозначение диода показано на рис. 20-5.

Рис. 20-5. Схематическое обозначение диода.

P-часть представлена стрелкой, а n-часть — чертой. Прямой ток[2] течет от части n к части р (против стрелки).

Часть n называется катодом, а часть р — анодом. Катод поставляет, а анод собирает электроны.

На рис. 20-6 показано включение диода, смещенного в прямом направлении. Отрицательный вывод источника тока подсоединен к катоду. Положительный вывод подсоединен к аноду. Это позволяет току течь в прямом направлении. Резистор (R_s) включен последовательно с диодом для ограничения прямого тока до безопасного значения.

Рис. 20-6. Цепь с диодом, смещенным в прямом направлении.

На рис. 20-7 показано включение диода, смещенного в обратном направлении. Отрицательный вывод источника тока подсоединен к аноду. Положительный вывод подсоединен к катоду. Через диод, смещенный в обратном направлении течет малый обратный ток (I_R).

Рис. 20-7. Цепь с диодом, смещенным в обратном направлении.

20-3. Вопросы

Р-n переход диода может быть одного из трех типов: выращенный переход, вплавленный переход или диффузионный переход. Методы изготовления каждого из этих переходов различны.

Метод выращивания перехода (наиболее ранний) состоит в следующем: чистый полупроводниковый материал и примеси р-типа помещаются в кварцевый контейнер и нагреваются до тех пор, пока они не расплавятся. Малый полупроводниковый кристалл, называемый затравкой, помещается в расплавленную смесь. Затравочный кристалл медленно вращается и достаточно медленно вытягивается из расплава, чтобы на нем успел нарасти слой расплавленной смеси. Расплавленная смесь, нарастая на затравочный кристалл, охлаждается и затвердевает. Она имеет такую же кристаллическую структуру, как и затравка. После вытягивания затравка оказывается попеременно легированной примесями n- и р- типов. Легирование — это процесс добавления примесей в чистые полупроводниковые кристаллы для увеличения количества свободных электронов или дырок. Это создает в выращенном кристалле слои n- и р-типов. Таким образом, выращенный кристалл состоит из многих р-n слоев.

Метод создания вплавленного р-n перехода предельно прост. Маленькая гранула трехвалентного материала, такого как индий, размещается на кристалле полупроводника n-типа. Гранула и кристалл нагреваются до тех пор, пока гранула не расплавится сама и частично не расплавит полупроводниковый кристалл. На участке соединения двух материалов образуется материал р-типа. После охлаждения материал перекристаллизовывается и образуется твердый р-n переход.

Диффузионный метод получения р-n перехода наиболее широко используется в настоящее время. Маска с прорезями размещается над тонким срезом полупроводника р-и n-типа, который называется подложкой. После этого подложка помещается в печь и подвергается контакту с примесями, находящимися в газообразном состоянии. При высокой температуре атомы примеси проникают или диффундируют через поверхность подложки. Глубина проникновения контролируется длительностью экспозиции и величиной температуры.

После того, как р-n переход создан, диод должен быть помещен в корпус для того, чтобы защитить его от влияния окружающей среды и механических повреждений. Корпус должен также обеспечить возможность соединения диода с цепью. Вид корпуса определяется назначением или способом применения диода (рис. 20-8).

Рис. 20-8. Наиболее часто встречающиеся корпуса диодов.

Если через диод должен протекать большой ток, корпус должен быть рассчитан таким образом, чтобы уберечь р-n переход от перегрева. На рис. 20-9 показаны корпуса диодов, рассчитанных на ток до 3 ампер или менее. Для идентификации катода с его стороны на корпус нанесена белая или серебристая полоска.

Рис. 20 9. Корпус для диода, рассчитанного на ток; менее 3 Ампер.

20-4. Вопросы

Диод можно проверить путем измерения с помощью омметра отношения прямого и обратного сопротивлений. Это отношение показывает способность диода пропускать ток в одном направлении и не пропускать ток в другом направлении.

Германиевый диод имеет низкое прямое сопротивление, порядка сотни ом. Обратное его сопротивление высокое, больше 100000 ом. Прямое и обратное сопротивления кремниевых диодов выше, чем у германиевых. Проверка диода с помощью омметра должна показать низкое прямое сопротивление и высокое обратное сопротивление.

Предостережение: некоторые омметры используют высоковольтные батареи, которые могут разрушить р-n переход.

Полярность выводов омметра определяется цветом соединительных проводов: белый является положительным, а черный — отрицательным. Если положительный вывод омметра соединен с анодом диода, а отрицательный вывод с катодом, то диод смещен в прямом направлении, в этом случае через диод должен протекать ток, и омметр должен показать низкое сопротивление. Если выводы омметра поменять местами, то диод будет смещен в обратном направлении, через него должен протекать маленький ток, и омметр должен показать высокое сопротивление.

Если сопротивление диода низкое в прямом и в обратном направлениях, то он, вероятно, закорочен. Если диод имеет высокое сопротивление и в прямом, и в обратном направлениях, то в нем, вероятно, разорвана цепь. Точная проверка диода может быть проведена с помощью большинства омметров.

Предостережение: некоторые омметры, используемые для поиска неисправностей, имеют на разомкнутых выводах напряжение меньшее 0,3 вольта. Приборы такого типа не могут быть использованы для измерения прямого сопротивления диода.

Для того, чтобы через диод протекал ток, приложенное к нему напряжение при измерении прямого сопротивления должно быть больше потенциального барьера диода (0,7 вольта для кремния и 0,3 вольта для германия). Омметр может также быть использован для определения катода и анода у диода, не имеющего маркировки.

Когда омметр показывает низкое сопротивление, то его положительный вывод подсоединен к аноду, а отрицательный — к катоду.

20-5. Вопросы

РЕЗЮМЕ

• Диод создается соединением вместе двух полупроводников n- и р-типа.

• Область вблизи перехода называется обедненным слоем. Электроны перемещаются через переход из материала n-типа в материал р-типа, и поэтому концентрация электронов и дырок вблизи перехода уменьшена.

• Размер обедненного слоя ограничен зарядом с каждой стороны перехода.

• Заряды вблизи перехода создают разность потенциалов, которая называется потенциальным барьером.

• Потенциальный барьер составляет 0,3 вольта для германия и 0,7 вольта для кремния.

• Ток может протекать через диод только тогда, когда внешнее напряжение больше потенциального барьера.

• Диод, смещенный в прямом направлении, проводит ток. В этом случае положительный вывод источника тока подсоединяется к материалу р-типа, а отрицательный — к материалу n-типа.

• Через диод, смещенный в обратном направлении, протекает только маленький ток утечки.

• Диод является устройством, проводящим ток только в одном направлении.

• Максимальный прямой ток диода и максимально допустимое обратное напряжение указываются производителем.

• Схематическим обозначением диода является:

• Катодом диода является материал n-типа, а анодом — материал р-типа.

• Диоды могут быть изготовлены методом выращивания перехода, методом вплавления перехода и диффузионным методом.

• В настоящее время чаще всего используется диффузионный метод изготовления р-n перехода.

• На корпусах диодов, рассчитанных на ток менее 3 ампер, для идентификации катода с его стороны на корпус нанесена белая или серебристая полоска.

• Диод проверяется с помощью омметра путем сравнения прямого и обратного сопротивлений.

• Когда диод смещен в прямом направлении, его сопротивление низкое.

• Когда диод смещен в обратном направлении, его сопротивление высокое.

Глава 20. САМОПРОВЕРКА

Глава 21. Стабилитроны

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

Стабилитроны очень похожи на диоды с р-n переходом. Они сконструированы для пропускания, главным образом, обратного тока. Стабилитроны широко применяются для управления напряжением в цепях любого типа.

Как установлено ранее, высокое напряжение обратного смещения, приложенное к диоду, может создать сильный обратный ток, который перегреет диод и приведет к пробою диода. Обратное напряжение, при котором наступает пробой, называется напряжением пробоя или максимальным обратным напряжением. Специальный диод, который называется стабилитроном, предназначен для работы в режиме обратного смещения. Он рассчитан для работы при напряжениях, превышающих напряжение пробоя. Эта область пробоя называется областью стабилизации.

Когда напряжение обратного смещения достаточно велико для того, чтобы вызвать пробой стабилитрона, через него течет высокий обратный ток (I_Z), до наступления пробоя обратный ток невелик. После наступления пробоя обратный ток резко возрастает. Эго происходит потому, что сопротивление стабилитрона уменьшается при увеличении обратного напряжения.

Напряжение пробоя стабилитрона (E_z) определяется удельным сопротивлением диода. Оно, в свою очередь, зависит от техники легирования, использованной при изготовлении диода. Паспортное напряжение пробоя — это обратное напряжение при токе стабилизации (I_ZT). Ток стабилизации несколько меньше максимального обратного тока диода. Напряжение пробоя обычно указывается с точностью от 1 до 20 %.

Способность стабилитрона рассеивать мощность уменьшается при увеличении температуры. Следовательно, рассеиваемая стабилитроном мощность указывается для определенной температуры. Величина рассеиваемой мощности также зависит от длины выводов: чем короче выводы, тем большая мощность рассеивается на диоде. Производитель указывает также коэффициент отклонения для того, чтобы определить рассеиваемую мощность при других температурах. Например, коэффициент отклонения 6 милливатт на градус Цельсия означает, что рассеиваемая диодом мощность уменьшается на 6 милливатт при повышении температуры на один градус.

Стабилитроны выпускаются в таких же корпусах, что и обычные диоды (рис. 21-1).

Рис. 21-1. Корпуса стабилитронов.

Маломощные стабилитроны выпускаются в корпусах из стекла или эпоксидной смолы. Мощные стабилитроны выпускаются в металлическом корпусе с винтом. Схематическое обозначение стабилитрона такое же, как и у диода, за исключением диагональных линий у черты катода (рис. 21-2).

Рис. 21-2. Схематическое обозначение стабилитрона.

21-1. Вопросы

Максимальный ток стабилизации (I_ZM) — это максимальный обратный ток, который может течь через стабилитрон без превышения рассеиваемой мощности указанной производителем. Обратный ток (I_R) представляет собой ток утечки перед началом пробоя. Он указывается при некотором обратном напряжении (E_R). Обратное напряжение составляет примерно 80 % от напряжения стабилизации (E_Z).

Стабилитроны с напряжением стабилизации 5 вольт или более имеют положительный температурный коэффициент напряжения стабилизации, который означает, что напряжение стабилизации увеличивается при увеличении температуры. Стабилитроны, имеющие напряжение стабилизации менее 4 вольт, имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации, который означает, что напряжение стабилизации уменьшается при увеличении температуры. Стабилитроны, имеющие напряжение стабилизации между 4 и 5 вольтами, могут иметь как положительный, так и отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Температурно компенсированный стабилитрон образован последовательным соединением стабилитрона и обычного диода, причем диод смещен в прямом направлении, а стабилитрон — в обратном. Тщательно выбирая диоды, можно добиться равенства температурных коэффициентов по величине, по знаку они будут противоположны. Для полной компенсации может понадобиться более одного диода.

21-2. Вопросы

Стабилитрон можно использовать для стабилизации или регулировки напряжения. Например, он может быть использован для компенсации изменений напряжения линии питания или при изменении резистивной нагрузки, питаемой постоянным током.

На рис. 21-3 показана типичная регулирующая цепь со стабилитроном.

Рис. 21-3. Типичная регулирующая цепь со стабилитроном.

Стабилитрон соединен последовательно с резистором R_s. Резистор позволяет протекать через стабилитрон такому току, чтобы он работал в режиме пробоя (стабилизации). Входное постоянное напряжение должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Падение напряжения на стабилитроне равно напряжению стабилизации стабилитрона. Стабилитроны выпускают с определенным напряжением пробоя, которое часто называют напряжением стабилизации (V_Z). Падение напряжения на резисторе равно разности входного напряжения и напряжения стабилизации.

Входное напряжение может увеличиваться или уменьшаться. Это обусловливает соответствующее увеличение или уменьшение тока через стабилитрон. Когда стабилитрон работает при напряжении стабилизации, или в области пробоя, при увеличении входного напряжения через него может течь большой ток. Однако напряжение на стабилитроне останется таким же. Стабилитрон оказывает противодействие увеличению входного напряжения, так как при увеличении тока его удельное сопротивление падает. Это позволяет выходному напряжению на стабилитроне оставаться постоянным при изменениях входного напряжения. Изменение входного напряжения проявляется только в изменении падения напряжения на последовательно включенном резисторе. Этот резистор включен последовательно со стабилитроном, и сумма падений напряжения на них должна равняться входному напряжению. Выходное напряжение снимается со стабилитрона. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путем замены стабилитрона и включенного последовательно с ним резистора.

Описанная цепь выдает постоянное напряжение. При расчете цепи должны учитываться как ток, так и напряжение. Внешняя нагрузка потребляет ток нагрузки (I_L), который определяется сопротивлением нагрузки и выходным напряжением (рис. 21-4). Через резистор, включенный последовательно со стабилитроном, протекает и ток нагрузки, и ток стабилизации. Этот резистор должен быть выбран таким образом, чтобы через стабилитрон протекал ток стабилизации и он находился в области пробоя.

Рис. 21-4. Регулятор напряжения на основе стабилитрона с нагрузкой.

При увеличении резистивной нагрузки ток нагрузки уменьшается, что должно вызвать увеличение падения напряжения на нагрузке. Но стабилитрон препятствует любому изменению тока. Сумма тока стабилизации и тока нагрузки через последовательно включенный резистор остается постоянной. Это обеспечивает постоянство падения напряжения на последовательно включенном резисторе.

Аналогично, когда ток через нагрузку увеличивается, ток стабилизации уменьшается, обеспечивая постоянство напряжения. Это позволяет цепи оставлять постоянным выходное напряжение при изменениях входного.

21-3. Вопросы

Стабилитроны могут быть быстро проверены на разрыв цепи, короткое замыкание или утечку с помощью омметра. Омметр подключается в прямом и обратном направлениях так же, как и при проверке диодов. Однако такая проверка не дает информации о напряжении стабилизации стабилитрона, для его измерения должна быть выполнена регулировочная проверка с помощью блока питания, имеющего приборы для измерения напряжения и тока.

На рис. 21-5 показана установка для регулировочной проверки стабилитрона. Выход источника питания подсоединен через последовательно включенный ограничивающий резистор к проверяемому стабилитрону. К стабилитрону подключен вольтметр для проверки напряжения стабилизации. Выходное напряжение медленно увеличивается до тех пор, пока через стабилитрон не потечет определенный ток. После этого ток изменяется в области изменения тока стабилизации (I_Z). Если напряжение остается постоянным, то стабилитрон работает правильно.

Рис. 21-5. Установка для проверки регулирующих свойств стабилитрона.

21-4. Вопросы

РЕЗЮМЕ

• Стабилитроны рассчитаны для работы при напряжениях больших, чем напряжение пробоя (максимальное обратное напряжение).

• Напряжение пробоя стабилитрона определяется удельным сопротивлением диода.

• Стабилитроны выпускаются с определенным напряжением стабилизации.

• Мощность, рассеиваемая стабилитроном, зависит от температуры и длины выводов.

• Схематическое обозначение стабилитрона следующее:

• Стабилитроны выпускаются в таких же корпусах, что и диоды.

• Стабилитроны с напряжением стабилизации 5 вольт или более имеют положительный температурный коэффициент напряжения стабилизации.

• Стабилитроны, которые имеют напряжение стабилизации менее 4 вольт, имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации.

• Стабилитроны используются для стабилизации или регулировки напряжения.

• Регуляторы на основе стабилитронов обеспечивают постоянное выходное напряжение, несмотря на изменения входного напряжения или выходного тока.

• Стабилитроны могут быть проверены на разрыв цепи, короткое замыкание или утечку с помощью омметра.

• Для того чтобы определить, работает ли стабилитрон при заданном напряжении стабилизации, может быть выполнена регулировочная проверка.

Глава 21. САМОПРОВЕРКА

Глава 22. Биполярные транзисторы

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

В 1948 году в лабораториях фирмы Bell был изготовлен первый работающий транзистор. Транзистор — это состоящее из трех элементов и двух р-n переходов устройство, используемое для управления электрическим током.

Изменяя величину напряжения, приложенного к трем элементам, можно управлять величиной тока через транзистор и использовать его для усиления, генерации или переключения. Этим применениям посвящены главы 26, 27 и 28.

Когда к полупроводниковому диоду добавляется третий слой полупроводника, получается устройство, которое может усиливать мощность или напряжение. Это устройство называется биполярным транзистором или просто транзистором. Далее мы везде будем использовать термин транзистор.

Транзистор, как и диод, может быть изготовлен из германия или кремния, но кремний более популярен. Транзистор состоит из трех областей с чередующимся типом проводимости (по сравнению с двумя у диода). Эти три области могут быть расположены двумя способами.

В первом случае материал р-типа расположен между двумя слоями материала n-типа, образуя n-p-n транзистор (рис. 22-1). Во втором случае слой материала n-типа расположен между двумя слоями материала р-типа, образуя р-n-р транзистор (рис. 22-2).

У транзисторов обоих типов средняя область называется базой, а внешние области называются эмиттером и коллектором.

Рис. 22-1. n-p-n транзистор.

Рис. 22-2. р-n-р транзистор.

22-1. Вопросы

Транзисторы классифицируются по следующим параметрам:

1. По типу проводимости (n-p-n или р-n-р).

2. По используемому материалу (германий или кремний).

3. По основному назначению (высокой или низкой выходной мощности, переключательные или высокочастотные).

Большинство транзисторов идентифицируются по условному обозначению. Условное обозначение состоит из пяти элементов и содержит информацию об исходном материале транзистора, его назначении, классификации, номере разработки. Эти символы идентифицируют устройство как транзистор и показывают, что он имеет 2 р-n перехода.

Корпуса служат для защиты транзистора и обеспечивают возможность электрического подсоединения к эмиттеру, базе и коллектору. Корпус также служит для отвода тепла или площадью, с которой тепло может излучаться, удаляя избыточное тепло от транзистора и предотвращая возможность теплового повреждения. Существует много различных корпусов, охватывающих широкую область применений (рис. 22-3).

Рис. 22-3. Различные корпуса транзисторов.

Корпуса транзисторов отличаются размерами и конфигурацией. Некоторые часто встречающиеся корпуса транзисторов показаны на рис. 22-4.

Вследствие большого разнообразия корпусов транзисторов очень трудно предложить общее правило для идентификации выводов эмиттера, базы и коллектора на каждом устройстве. Для этого лучше обратиться к инструкции, предоставляемой производителем, или к справочнику.

Рис. 22-4. Типичные корпуса транзисторов.

22-2. Вопросы

Диод является выпрямителем, а транзистор — усилителем. Транзистор может использоваться различными способами, но основной его функцией является усиление сигналов.

К транзистору должно быть правильно приложено напряжение смещения для того, чтобы области эмиттера, базы и коллектора взаимодействовали должным образом.

При правильно приложенном напряжении смещения эмиттерный переход транзистора смещен в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном. Правильно приложенное напряжение смещения на транзистор типа n-р-n показано на рис. 22-5.

Рис. 22-5. Правильно смещенный n-р-n транзистор

Смещение в прямом направлении заставляет электроны течь с эмиттера n-p-n транзистора. Прямое смещение — это положительное напряжение на выводе базы по отношению к эмиттеру. Положительный потенциал базы притягивает электроны, создавая поток электронов из эмиттера. На электроны, притянутые базой, начинает влиять положительный потенциал, приложенный к коллектору. Большинство электронов притягивается к коллектору и к положительному выводу источника тока, создающего обратное смещение. Небольшая часть электронов поглощается областью базы и поддерживает небольшой поток электронов от базы, область базы при этом должна быть предельно тонкой. В правильно смещенном р-n-р транзисторе выводы источников тока необходимо поменять местами (рис. 22-6).

Рис. 22-6. Правильно смещенный р-n-р транзистор

Разница между n-р-n и р-n-р транзисторами двойная: источники тока имеют противоположную полярность, и направление потока электронов меняется на противоположное.

Как и в диоде, в транзисторе существует потенциальный барьер. В транзисторе потенциальный барьер возникает у перехода эмиттер-база. Для того чтобы электроны могли проходить через этот переход, внешнее смещение должно превышать потенциальный барьер. Величина внутреннего потенциального барьера определяется типом используемого полупроводникового материала. Как и в диодах, величина внутреннего потенциального барьера составляет 0,3 вольта для германиевых транзисторов и 0,7 вольта для кремниевых.

К переходу коллектор-база транзистора также должен быть приложен положительный потенциал, достаточно высокий для того, чтобы притягивать большинство электронов, поставляемых эмиттером. Напряжение обратного смещения, приложенное к переходу коллектор-база обычно намного выше, чем напряжение прямого смещения, приложенного к переходу эмиттер-база, снабжающего электронами этот источник более высокого напряжения.

22-3. Вопросы

Транзисторы — это полупроводниковые устройства, которые обычно работают длительное время без отказа.

Если транзистор вышел из строя, то это вызвано или высокой температурой, или большим током, или высоким напряжением. Отказ может быть вызван и высоким механическим давлением. В результате такого электрического или механического воздействия в транзисторе может произойти разрыв цепи или короткое замыкание, или его характеристики могут измениться достаточно сильно, чтобы повлиять на его работу. Существует два метода проверки транзисторов для определения его исправности: с помощью омметра и с помощью прибора для проверки транзисторов.

Стандартный омметр может помочь обнаружить неисправный транзистор методом проверки вне цепи. Для этого проверяется сопротивление между двумя переходами транзистора следующим образом: между эмиттером и базой, между коллектором и базой и между коллектором и эмиттером. При проверке транзистора сопротивление между любыми двумя выводами измеряется при подключении измерительных проводов омметра одним и тем же образом. После этого измерительные провода омметра меняют местами. При одном подключении проводов сопротивление должно быть высоким, 10000 ом или более. При противоположном подключении сопротивление должно быть ниже, менее чем 10000 ом.

Каждый переход транзистора имеет низкое сопротивление, когда он смещен в прямом направлении, и высокое сопротивление, когда он смещен в обратном направлении. Батарея в омметре является источником как прямого, так и обратного смещения. Измеренное сопротивление различно у транзисторов различных типов, но всегда отличается при перемене выводов омметра. Этот метод проверки пригоден как для транзисторов типа n-р-n, так и для транзисторов типа р-n-р (рис. 22-7).

Рис. 22-7. Измерение сопротивлений переходов транзистора.

Если транзистор не проходит эту проверку, то он неисправен, но, тем не менее, может быть неисправным, и если проходит. Более надежным способом проверки транзисторов является использование прибора для проверки транзисторов.

Предостережение: как и в случае диодов, напряжение на выводах омметра не должно превышать максимально допустимое между переходами транзистора. Нижние шкалы некоторых омметров могут допустить ток, который повредит транзистор при проверке. В качестве меры предосторожности лучше начать измерение с безопасной шкалы и только после этого перейти на шкалу, дающую адекватный отсчет.

Приборы для проверки транзисторов специально рассчитаны на проверку транзисторов и диодов. Существуют два типа таких приборов: для проверки в составе цепи и для проверки вне цепи. Оба прибора могут быть размещены в одном корпусе (рис. 22-8).

Рис. 22-8. Прибор для проверки транзисторов.

Способность транзисторов усиливать принимается за грубую оценку их работоспособности. Прибор для проверки в составе цепи имеет преимущество, так как транзистор не надо удалять из цепи для проверки. Прибор для проверки вне цепи может не только определить исправность транзистора, но также измерить ток утечки, что нельзя проделать в составе цепи.

Приборы для проверки транзисторов содержат органы управления для установки величины напряжения, тока и сигнала. Для выбора правильных режимов измерения необходимо обратиться к инструкции по эксплуатации прибора.

22-4. Вопросы

Чтобы обеспечить возможность замены транзисторов, производители публикуют их параметры. Пользуясь этими данными, можно уверенно проводить замену транзисторов.

Если транзистора нет в списке или его условное обозначение пропущено, для точного выбора замены может быть использована следующая процедура.

1. n-p-n или р-n-р? Первым источником информации может быть условное обозначение на схеме. Если схемы нет, нужно определить полярность источника питания между эмиттером и коллектором. Если на коллекторе по отношению к эмиттеру плюс, то это — транзистор n-р-n типа. Если на коллекторе по отношению к эмиттеру минус, то это — транзистор р-n-р типа. Простой способ запомнить полярность напряжения на коллекторе для каждого типа транзистора показан на рис. 22-9.

Рис. 22-9. Как запомнить полярность напряжения на коллекторе.

2. Германиевый или кремниевый? Измерьте напряжение между эмиттером и базой. Если это напряжение составляет примерно 0,3 вольта, то транзистор германиевый. Если это напряжение составляет примерно 0,7 вольт, то транзистор кремниевый.

3. Какова область частот, в которой работает транзистор?

Установите тип цепи и установите, работает ли транзистор в диапазоне звуковых частот, в килогерцовом или в мегагерцовом диапазоне.

4. Чему равно рабочее напряжение? Напряжение между коллектором и эмиттером, коллектором и базой и эмиттером и базой может быть определено либо из схемы, либо путем непосредственного измерения. Транзистор, выбранный для замены, должен иметь паспортные значения напряжений, по крайней мере, в три или четыре раза превышающие напряжения, при которых он будет работать. Это поможет защитить транзистор от выбросов напряжения, тока и переходных процессов, имеющих место в большинстве цепей.

5. Какие требования к току коллектора? Простейший способ определения тока коллектора — измерение тока в цепи коллектора с помощью амперметра. Измерение должно быть проведено при максимальной потребляемой мощности. Опять же, в целях безопасности для замены следует подобрать транзистор, паспортное значение тока коллектора которого в три-четыре раза превышает измеренный ток.

6. Какова максимальная рассеиваемая мощность? Для определения максимальной мощности (Р = IE) используйте максимальное напряжение и максимальное значение тока коллектора. Транзистор является главным фактором при определении рассеиваемой мощности в цепях следующих типов:

• Входные каскады на звуковых или радиочастотах (от 50 до 200 мВт).

• Каскады промежуточной частоты или задающие каскады (от 200 мВт до 1 Вт).

• Мощные выходные каскады (1 Вт и выше).

7. Какое усиление по току? Усиление малого сигнала постоянного тока в схеме с общим эмиттером характеризуется коэффициентом усиления h_21, или Бета (β) и будет рассмотрено далее. Некоторыми типичными категориями усиления являются:

• Смесители радиочастоты, усилители промежуточной и звуковой частот (усиление в диапазоне от 80 до 150 кГц)

• Задающие каскады радио и звуковой частоты (от 25 до 80 кГц)

• Выходные каскады радио и звуковой частоты (от 4 до 40 кГц)

• Предварительные усилители с высоким усилением (от 150 до 500 кГц)

8. Каков тип корпуса? Часто разница между типами корпуса оригинальной детали и рекомендуемой замены несущественна. На размер и тип корпуса обращают внимание только тогда, когда на плате мало места и требуется точная подгонка. При установке мощных транзисторов необходимо всегда использовать силиконовую смазку для того, чтобы обеспечить отвод тепла.

9. Какая конфигурация выводов? Это не самое главное соображение при замене транзисторов, хотя для облегчения установки транзистора желательно, чтобы конфигурация выводов совпадала.

22-5. Вопросы

РЕЗЮМЕ

• Транзистор — это устройство, состоящее из трех слоев, и используемое для усиления мощности и напряжения.

• Биполярный транзистор часто называют просто транзистором.

• Транзисторы бывают конфигурации n-p-n или р-n-р.

• Средняя область транзистора называется базой, а две внешние области — эмиттером и коллектором.

• Схематические обозначения n-p-n и р-n-р транзисторов изображены ниже:

• Транзисторы классифицируются по типу проводимости (n-p-n или р-n-р), по материалу (германиевый или кремниевый), по мощности: малой или большой, по способу использования: переключательный или высокочастотный.

• Условные обозначения транзисторов состоят из элементов, содержащих буквы и цифры.

• Корпуса транзисторов обеспечивают защиту, отвод тепла и возможность подключения транзистора к схеме.

• Корпуса транзисторов обозначаются буквами ТО (transistor outline).

• При правильно поданном напряжении смещения переход эмиттер-база транзистора смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном.

• Источники смещения р-n-р транзистора имеют полярность противоположную полярности источникам смещения n-p-n транзистора.

• Внутренний потенциальный барьер для германиевого транзистора составляет 0,3 вольта, а для кремниевого — 0,7 вольт.

• Напряжение обратного смещения, приложенное к переходу коллектор-база, выше, чем напряжение прямого смещения, приложенное к переходу эмиттер-база.

• При проверке транзистора с помощью омметра каждый переход показывает низкое сопротивление при прямом смещении и высокое сопротивление при обратном смещении.

• Приборы для проверки транзисторов могут проверять транзисторы как в цепи, так и вне цепи.

Глава 22. САМОПРОВЕРКА

Глава 23. Полевые транзисторы

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

История полевых транзисторов начинается с 1925 года, когда Юлиус Лилленфелд изобрел полевой транзистор (р-n-переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. Оба этих устройства доминируют в настоящее время в электронной технологии. Эта глава является введением в теорию полевых транзисторов с р-n-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором.

Полевой транзистор с р-n-переходом — это униполярный транзистор, в котором работают только основные носители.

Полевой транзистор с р-n-переходом — это устройство, управляемое напряжением. Полевые транзисторы с р-n-переходом состоят из полупроводниковых материалов n- и p-типа и способны усиливать электронные сигналы, а конструкция отличается от конструкции биполярных транзисторов, и их работа основана на других принципах. Знание конструкции полевых транзисторов с р-n-переходом помогает понять, как они работают.

Конструкция полевых транзисторов с р-n-переходом начинается с подложки, или базы, слабо легированного полупроводникового материала. Подложка может быть из материала n- или p-типа. р-n-переход в подложке изготовляется как методом диффузии, так и методом выращивания (см. главу 20). Форма р-n-перехода играет важную роль. На рис. 23-1 показано сечение встроенной области в подложке. U-образная область называется каналом, она утоплена по отношению к верхней поверхности подложки.

Рис. 23-1. Сечение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Когда канал сделан из материала n-типа в подложке из материала p-типа образуется полевой транзистор с каналом n-типа. Когда канал сделан из материала p-типа в подложке из материала n-типа образуется полевой транзистор с каналом р-типа.

Полевой транзистор с р-n-переходом имеет три вывода (рис. 23-2). Один вывод соединен с подложкой и образует затвор (3). Выводы, соединенные с концами канала образуют исток (И) и сток (С). Неважно какой из выводов соединен со стоком, а какой с истоком, так как канал симметричен.

Рис. 23-2. Подсоединение выводов полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Работа полевых транзисторов с р-n-переходом требует двух внешних источников смещения. Один из источников (Е_СИ) подсоединяется между стоком и истоком, заставляя ток течь через канал. Другой источник (Е_ЗИ) подсоединяется между затвором и истоком. Он управляет величиной тока, протекающего через канал. На рис. 23-3 показан правильно смещенный полевой транзистор с каналом n-типа.

Источник тока Е_СИ подсоединяется таким образом, чтобы на истоке был отрицательный потенциал по отношению к стоку. Это обусловливает ток через канал, так как основными носителями в материале n-типа являются электроны. Ток, текущий от истока к стоку, называется током стока полевого транзистора (I_C). Канал служит сопротивлением для приложенного напряжения (Е_СИ).

Напряжение затвор-исток (Е_ЗИ) подается таким образом, чтобы затвор имел отрицательный потенциал по отношению к истоку. Это обусловливает формирование обратно смещенного р-n-перехода между затвором и каналом и создает обедненный слой в окрестности р-n-перехода, который распространяется вдоль всей длины канала. Обедненный слой шире у стока, так как напряжение Е_СИ складывается с напряжением Е_ЗИ, создавая более высокое напряжение обратного смещения, чем у истока.

Рис. 23-3. Правильно смещенный полевой транзистор с р-n-переходом и каналом n-типа.

Размером обедненного слоя управляет напряжение Е_ЗИ. При увеличении Е_ЗИ толщина обедненного слоя увеличивается. При уменьшении толщина обедненного слоя уменьшается. При увеличении толщины обедненного слоя резко уменьшается толщина канала, и, следовательно, уменьшается величина тока, проходящего через него. Таким образом, Е_ЗИ можно использовать для управления током стока (I_C), который протекает через канал. Увеличение Е_ЗИ уменьшает I_C.

При обычной работе входное напряжение прикладывается между затвором и истоком. Результирующим выходным током является ток стока (I_C). В полевом транзисторе с р-n-переходом входное напряжение используется для управления выходным током. В обычном транзисторе входной ток, а не напряжение используется для управления выходным током.

Поскольку переход затвор-исток смещен в обратном направлении, полевой транзистор с р-n-переходом имеет очень высокое входное сопротивление. Если переход затвор-исток сместить в прямом направлении, через канал потечет большой ток, что послужит причиной падения входного сопротивления и уменьшения усиления транзистора. Величина напряжения, требуемого для уменьшения I_С до нуля, называется напряжением отсечки затвор-исток (Е_ЗИотс). Это значение указывается производителем транзистора.

Напряжение сток-исток (Е_СИ) управляет размером обедненного слоя в полевых транзисторах с р-n-переходом. При увеличении Е_СИ, увеличивается также I_С. При некотором значении Е_СИ величина I_С перестает расти, достигая насыщения при дальнейшем увеличении Е_СИ. Причиной этого является увеличившийся размер обедненного слоя, и значительное уменьшение в канале неосновных носителей. С увеличением Е_СИ увеличивается, с другой стороны, сопротивление канала, что также приводит к меньшей скорости увеличения I_С. Однако рост тока I_С ограничивается вследствие расширения обедненного слоя и уменьшения ширины канала. Когда это имеет место, говорят, что I_С достиг насыщения. Значение Е_СИ, при котором I_С достигает насыщения, называется напряжением насыщения (Е_Н). Величина Е_Н обычно указывается производителем при значении Е_ЗИ, равном нулю. При Е_ЗИ, равном нулю, величина Е_Н близка к Е_ЗИотс. Когда Е_Н равно Е_ЗИ, ток стока является насыщенным.

Полевые транзисторы с p-каналом и с n-каналом имеют одинаковые характеристики. Основное различие между ними — в направлении тока стока (I_С) через канал. В полевом транзисторе с p-каналом полярность напряжений смещения (Е_ЗИ, Е_СИ) противоположна полярностям этих напряжений для транзистора с каналом n-типа.

Схематические обозначения для полевых транзисторов с p-каналом и с n-каналом показаны на рис. 23-4. Полярности напряжений смещения для полевого транзистора с n-каналом показаны на рис. 23-5, а для транзистора с р-каналом — на рис. 23-6.

Рис. 23-4. Схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом.

Рис. 23-5. Полярности источников тока, необходимые для смещения полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Рис. 23-6. Полярности источников тока, необходимые для смещения полевого транзистора с р-n-переходом и каналом р-типа.

23-1. Вопросы

В полевых транзисторах с изолированным затвором не используют р-n-переход. Вместо него применяется металлический затвор, электрически изолированный от полупроводникового канала тонким слоем окисла. Это устройство известно как полевой транзистор на основе структуры металл-окисел-полупроводник (МОП транзистор).

Существует два типа таких транзисторов: устройства n-типа с n-каналами и устройства p-типа с p-каналами. Устройства n-типа с n-каналами называются устройствами обедненного типа, так как они проводят ток при нулевом напряжении на затворе. В устройствах обедненного типа электроны являются носителями тока до тех пор, пока их количество не уменьшится благодаря приложенному к затвору смещению, так как при подаче на затвор отрицательного смещения, ток стока уменьшается. Устройства p-типа с p-каналами называются устройствами обогащенного типа. В устройствах обогащенного типа поток электронов обычно отсутствует до тех пор, пока на затвор не подано напряжение смещения. Хотя полевые транзисторы обедненного типа с p-каналом и транзисторы обогащенного типа с n-каналом и существуют, они обычно не используются.

На рис. 23-7 изображено сечение полевого транзистора обедненного типа с n-каналом. Он образован имплантацией n-канала в подложку p-типа.

Рис. 23-7. МОП транзистор обедненного типа с n-каналом.

После этого на канал наносится тонкий изолирующий слой двуокиси кремния, оставляющий края канала свободными для подсоединения выводов, стока и истока. После этого на изолирующий слой наносится тонкий металлический слой. Этот металлический слой служит затвором. Дополнительный вывод подсоединяется к подложке. Металлический затвор изолирован от полупроводникового канала, так что затвор и канал не образуют р-n-переход. Металлический затвор используется для управления проводимостью канала так же, как и в полевом транзисторе с р-n-переходом.

На рис. 23-8 изображен полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Рис. 23-8. МОП транзистор обедненного типа с n-каналом и приложенным смещением.

Сток всегда имеет положительный потенциал по отношению к истоку, как и в полевом транзисторе с р-n-переходом. В канале n-типа основными носителями являются электроны, обеспечивающие ток стока (I_C), протекающий от истока к стоку. Величиной тока стока управляет напряжение смещения (Е_ЗИ), приложенное между затвором и истоком, как и в полевом транзисторе с р-n-переходом. Когда напряжение на истоке равно нулю, через устройство течет заметный ток стока, так как в канале имеется большое количество основных носителей (электронов). Когда на затворе отрицательный потенциал по отношению к истоку, ток стока уменьшается вследствие обеднения основных носителей. Если отрицательный потенциал достаточно велик, то ток стока падает до нуля.

Основное различие между полевыми транзисторами с р-n-переходом и полевыми транзисторами с изолированным затвором состоит в том, что на затворе полевого транзистора с изолированным затвором может также быть и положительный потенциал по отношению к истоку. В полевом транзисторе с р-n-переходом нельзя подать такой потенциал на исток, так как в этом случае р-n-переход затвор-канал будет смещен в прямом направлении.

Когда напряжение на затворе полевого МОП-транзистора обедненного типа положительно, изолирующий слой из двуокиси кремния предотвращает какой-либо ток через затвор. Входное сопротивление остается высоким, и в канале появляется больше носителей (электронов), что увеличивает его проводимость. Положительное напряжение на затворе может быть использовано для увеличения тока стока МОП транзистора, а отрицательное напряжение на затворе может быть использовано для уменьшения тока стока. Поскольку отрицательное напряжение подается на затвор для обеднения n-канала МОП транзистора, он называется устройством обедненного режима. Когда напряжение на затворе равно нулю, через МОП транзистор течет большой ток стока. Все устройства обедненного типа обычно открываются при напряжении на затворе, равном нулю.

Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с n-каналом показано на рис. 23-9.

Рис. 23-9. Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с n-каналом.

Заметим, что вывод затвора отделен от выводов стока и истока. Стрелка, направленная к подложке, указывает, что этот транзистор имеет канал n-типа. В некоторых МОП транзисторах подложка соединена внутри транзистора с истоком, и они не имеют отдельного вывода подложки.

МОП транзистор обедненного типа с n-каналом и правильно поданным напряжением смещения изображен на рис. 23–10.

Рис. 23–10. Правильно смещенный МОП транзистор обедненного типа с n-каналом.

Заметим, что он смещен точно так же, как и полевой транзистор с р-n-переходом и каналом n-типа. Напряжение сток-исток (Е_СИ) должно всегда прикладываться таким образом, чтобы сток имел положительный потенциал по отношению к истоку. Напряжение затвор-исток (Е_ЗИ) должно иметь обратную полярность. Подложка обычно соединяется с истоком либо внутри транзистора, либо снаружи. В специальных случаях подложка может быть соединена с затвором или с другой точкой цепи.

МОП транзистор обедненного типа может быть изготовлен с каналом p-типа. Транзисторы с p-каналом работают точно так же, как и транзисторы с n-каналом. Разница только в том, что основными носителями являются дырки. Вывод стока имеет отрицательный потенциал по отношению к истоку, и ток стока течет в противоположном направлении.

Потенциал затвора может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к истоку.

На рис. 23–11 показано схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с p-каналом. Отличие от обозначения МОП транзистора с n-каналом состоит в том, что стрелка направлена от подложки.

Рис. 23–11. Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с р-каналом.

МОП транзисторы обедненного типа как с n-каналом, так и с p-каналом являются симметричными. Выводы стока и истока можно поменять местами. В специальных случаях затвор может быть смещен от области стока для того, чтобы уменьшить емкость между затвором и стоком. В случае, когда затвор смещен, выводы стока и истока нельзя поменять местами.

23-2. Вопросы

МОП транзисторы обедненного типа являются открытыми в нормальном состоянии. Это означает, что они имеют заметный ток стока при напряжении затвор-исток равном нулю. Это полезно во многих приложениях. Но также полезно иметь устройство, которое в нормальном состоянии закрыто; то есть устройство, проводящее ток только тогда, когда приложено напряжение Е_ЗИ соответствующей величины. На рис. 23–12 изображен МОП транзистор, работающий как устройство, закрытое в нормальном состоянии. Он подобен МОП транзистору обедненного типа, но не имеет проводящего канала. Вместо этого в подложку внедрены раздельные области стока и истока. На рисунке показана подложка n-типа и области стока и истока р-типа. Может быть также использована и обратная конфигурация. Расположение выводов такое же, как и у МОП транзистора обедненного типа.

Рис. 23–12. МОП транзистор обогащенного типа с р-каналом.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа должен быть смещен таким образом, чтобы на стоке был отрицательный потенциал по отношению к истоку. Когда к транзистору приложено только напряжение сток-исток (Е_СИ), ток стока отсутствует. Это обусловлено отсутствием проводящего канала между истоком и стоком. Когда на затвор подается отрицательный потенциал по отношению к истоку, дырки направляются к затвору, где они создают канал p-типа, позволяющий протекать току от стока к истоку.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе размер канала увеличивается, что позволяет увеличиться и току стока. Увеличение напряжения на затворе позволяет увеличить ток стока.

Потенциал затвора МОП транзистора с p-каналом обогащенного типа может быть сделан положительным по отношению к истоку, и это не повлияет на работу транзистора. Ток стока в нормальном состоянии равен нулю и не может быть уменьшен подачей положительного потенциала на затвор.

Схематическое обозначение МОП транзистора с р-каналом обогащенного типа показано на рис. 23–13. Оно аналогично обозначению МОП транзистора с p-каналом обедненного типа, за исключением того, что области истока, стока и подложки разделены пунктирной линией. Это показывает, что транзистор в нормальном состоянии закрыт. Стрелка, направленная от подложки, обозначает канал р-типа.

Рис. 23–13. Схематическое обозначение МОП транзистора обогащенного типа с р-каналом.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа с правильно поданным напряжением смещения показан на рис. 23–14.

Рис. 23–14. Правильно смещенный МОП транзистор обогащенного типа с р-каналом.

Заметим, что Е_СИ делает сток МОП транзистора отрицательным по отношению к истоку. Е_ЗИ также делает затвор отрицательным по отношению к истоку. При увеличении Е_ЗИ и подаче на затвор отрицательного потенциала, появляется заметный ток стока. Подложка обычно соединяется с истоком, но в отдельных случаях подложка и исток могут иметь различные потенциалы.

МОП транзисторы могут быть изготовлены с n-каналом обогащенного типа. Эти устройства работают с положительным напряжением на затворе так, что электроны притягиваются по направлению к затвору и образуют канал n-типа. В остальном они работают так же, как и устройства с каналом р-типа.

Схематическое обозначение МОП транзистора с n-каналом обогащенного типа показано на рис. 23–15. Оно аналогично обозначению устройства с р-каналом за исключением того, что стрелка направлена к подложке, обозначая канал n-типа. Правильно смещенный МОП транзистор с n-каналом обогащенного типа показан на рис. 23–16.

Рис. 23–15. Схематическое обозначение МОП транзистора обогащенного типа с n-каналом.

Рис. 23–16. Правильно смещенный МОП транзистор обогащенного типа с n-каналом.

МОП транзисторы с изолированным затвором обычно симметричны, как и полевые транзисторы с р-n-переходом. Следовательно, сток и исток можно поменять местами.

23-3. Вопросы

При работе с МОП транзисторами необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности. Важно проверить по данным производителя максимальное значение Е_ЗИ. Если Е_ЗИ будет слишком большим, то тонкий изолирующий слой разрушится, и транзистор выйдет из строя. Изолирующий слой достаточно чувствителен и может быть поврежден статическим зарядом, появляющимся на выводах транзистора. Электростатические заряды с пальцев могут перейти на выводы МОП транзистора, когда вы касаетесь его руками или при монтаже.

Для того чтобы избежать повреждения, МОП транзисторы обычно поставляются с соединенными вместе выводами. Закорачивание осуществляется следующими методами: соединение выводов проволокой, упаковка транзистора в закорачивающее кольцо, прессовка транзистора в проводящую пену, соединение нескольких транзисторов вместе, транспортировка в антистатических трубках и заворачивание транзисторов в металлическую фольгу.

Новейшие МОП транзисторы защищены с помощью стабилитронов, включенных внутри транзистора между затвором и истоком. Диоды защищают от статических разрядов и переходных процессов и избавляют от необходимости использования внешних закорачивающих устройств. В электронике переходным процессом называется временное изменение тока, вызванное резким изменением нагрузки, включением или выключением источника тока или импульсным сигналом.

С незащищенными МОП транзисторами можно без опаски работать при соблюдении следующих процедур:

1. До установки в цепь выводы транзистора должны быть соединены вместе.

2. Рука, которой вы будете брать транзистор, должна быть заземлена с помощью металлического браслета на запястье.

3. Жало паяльника следует заземлить.

4. МОП транзистор никогда не должен вставляться в цепь или удаляться из цепи при включенном питании.

23-4. Вопросы

Проверка полевых транзисторов более сложна, чем проверка обычных транзисторов. Перед проверкой полевого транзистора необходимо рассмотреть следующие вопросы:

1. Является устройство полевым транзистором с р-n-переходом или полевым МОП транзистором?

2. Является полевой транзистор устройством с каналом n-типа или устройством с каналом р-типа?

3. Если это МОП транзистор, то какого он типа — обедненного или обогащенного?

Перед удалением полевого транзистора из цепи или началом работы с ним проверьте — является он полевым транзистором с р-n-переходом или полевым МОП транзистором. МОП транзистор можно легко повредить, если не соблюдать следующие меры предосторожности.

1. Закоротите все выводы МОП транзистора до тех пор, пока он не будет готов к работе.

2. Убедитесь в том, что рука, используемая для работы с МОП транзистором, заземлена.

3. Выключите питание цепи перед удалением или установкой МОП транзистора.

Как полевые транзисторы с р-n-переходом, так и МОП транзисторы могут быть легко проверены с помощью прибора для проверки транзисторов или с помощью омметра.

При использовании прибора для проверки транзисторов следуйте руководству по его эксплуатации.

Проверка полевых транзисторов с р-n-переходом при помощи омметра

1. Используйте низковольтный омметр на пределе Rх100.

2. Определите полярность выводов прибора. Белый — положительный, а черный — отрицательный.

3. Определите прямое сопротивление следующим образом:

а. Полевой транзистор с каналом n-типа: соедините положительный вывод с затвором, а отрицательный вывод с истоком или стоком. Поскольку и исток, и сток соединены с каналом, необходимо проверить только одну сторону. Прямое сопротивление должно быть низким.

б. Полевой транзистор с каналом р-типа: соедините отрицательный вывод с затвором, а положительный с истоком или стоком.

4. Определите обратное сопротивление следующим образом:

а. Полевой транзистор с каналом n-типа: соедините отрицательный вывод омметра с затвором, а положительный вывод с истоком или стоком. Полевой транзистор должен иметь бесконечное сопротивление. Низкое сопротивление указывает на короткое замыкание или наличие тока утечки.

б. Полевой транзистор с каналом р-типа: соедините положительный вывод с затвором, а отрицательный с истоком или стоком.

Проверка МОП транзисторов с помощью омметра

Прямое и обратное сопротивление можно проверить с помощью низковольтного омметра на его высшем пределе.

МОП транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление из-за наличия изолированного затвора. Прибор должен показать бесконечное сопротивление и в прямом и в обратном направлениях между затвором и истоком или стоком. Низкое значение сопротивления указывает на пробой изоляции между затвором и истоком или стоком.

23-5. Вопросы

РЕЗЮМЕ

• Полевой транзистор с р-n-переходом использует для управления сигналом канал вместо р-n-переходов (в обычных транзисторах).

• Три вывода полевого транзистора с р-n-переходом подсоединены к затвору, истоку и стоку.

• Входной сигнал прикладывается между затвором и истоком для того, чтобы полевой транзистор с р-n-переходом мог управлять его величиной.

• Полевые транзисторы с р-n-переходом имеют очень высокое входное сопротивление.

• Схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом следующие:

• В МОП транзисторах (полевых транзисторах с изолированным затвором) затвор изолирован от канала тонким слоем окисла.

• МОП транзисторы обедненного типа обычно бывают с каналом n-типа и открыты в нормальном состоянии.

• МОП транзисторы обогащенного типа обычно бывают с каналом р-типа и закрыты в нормальном состоянии.

• Главное отличие между полевыми транзисторами с р-n-переходом и МОП транзисторами в том, что потенциал затвора в МОП транзисторах может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к истоку.

• Схематическое обозначение для МОП транзистора обедненного типа следующее:

• У большинства полевых транзисторов с р-n-переходом и МОП транзисторов выводы истока, и стока можно поменять местами, так как эти устройства являются симметричными.

• Схематическое обозначение для МОП транзистора обогащенного типа следующее:

• С МОП транзисторами следует обращаться осторожно, для избежания повреждения тонкого слоя окисла, отделяющего металлический затвор от канала.

• Электростатические заряды с пальцев могут повредить МОП транзистор.

• До использования выводы МОП транзистора должны быть соединены вместе.

• При работе с МОП транзисторами необходимо использовать металлический браслет на запястье, соединенный проволокой с землей.

• При пайке МОП транзисторов используйте заземленный паяльник и убедитесь в том, что питание цепи выключено.

• Как полевые транзисторы с р-n-переходом, так и МОП транзисторы могут быть проверены с помощью прибора для проверки транзисторов или с помощью омметра.

Глава 23. САМОПРОВЕРКА

Глава 24. Тиристоры

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

Тиристоры — это обширный класс полупроводниковых приборов, используемых для электронного переключения. Они являются полупроводниковыми устройствами с двумя устойчивыми состояниями, имеющие три или более переходов. Тиристоры охвачены внутренней положительной обратной связью, позволяющей получить увеличение амплитуды выходного сигнала путем подачи части выходного напряжения на вход.

Тиристоры широко используются для регулирования мощностью постоянного и переменного тока. Они используются для включения и выключения мощности, подаваемой в нагрузку, а также для регулирования величиной этой мощности, например для управления освещенностью или скоростью вращения двигателя.

Кремниевые управляемые вентили являются хорошо известным типом тиристоров и обычно называются КУВ. Они имеют три вывода (анод, катод и управляющий электрод) и используются, главным образом, как переключатели. КУВ по существу являются выпрямителями, так как они управляют током только в одном направлении. Преимущество КУВ перед мощными транзисторами в том, что они могут управлять большими токами во внешней цепи с помощью небольшого управляющего сигнала. КУВ пропускает ток после прекращения действия управляющего сигнала. Если величина тока падает до нуля, КУВ закрывается, и необходимо подать новый управляющий сигнал для возвращения его в открытое состояние. Мощному транзистору требуется для управления током такой же величины управляющий сигнал в десять раз больший, чем необходим КУВ.

КУВ — это твердотельное устройство, изготовленное из кремния диффузионным или диффузионно-сплавным методом (см. главу 20) и состоящее из четырех полупроводниковых слоев n-типа и р-типа, расположенных поочередно. На рис. 24-1 показана упрощенная схема КУВ. Четыре слоя прилегают друг к другу, образуя три р-n-перехода. Выводы подсоединены только к трем слоям и образуют анод, катод и управляющий электрод.

Рис. 24-1. Упрощенная схема КУВ.

На рис. 24-2 показаны четыре слоя, разделенные на два трехслойных устройства. Это транзисторы типа р-n-р и n-р-n, соединенные между собой так, чтобы образовать пару с положительной обратной связью.

Рис. 24-2. Эквивалентная схема КУВ.

На рис. 24-3 показано схематическое изображение этих транзисторов: анод должен иметь положительный потенциал по отношению к катоду, а управляющий электрод — оставаться свободным, n-р-n транзистор не пропускает ток, поскольку на его эмиттерный переход не подано напряжение прямого смещения (обеспечиваемое коллектором р-n-р транзистора или управляющим сигналом). А поскольку n-p-n транзистор не пропускает ток, р-n-р транзистор также заперт (так как коллектор n-р-n транзистора обеспечивает смещение на базе р-n-р транзистора). При этих условиях ток не течет от катода к аноду.

Рис. 24-3. Схематическое представление эквивалентной схемы КУВ.

Если на управляющий электрод подать положительное напряжение по отношению к катоду, эмиттерный переход n-р-n транзистора будет смещен в прямом направлении, и n-р-n транзистор откроется, потечет ток базы р-n-р транзистора и откроет его. Коллекторный ток р-n-р транзистора является током базы n-р-n транзистора. Оба транзистора будут поддерживать друг друга в проводящем состоянии, позволяя току течь непрерывно от катода к аноду. Процесс будет происходить даже в том случае, если управляющее напряжение приложено на короткий момент времени.

Кратковременная подача управляющего напряжения переключает цепь в проводящее состояние, и она продолжает работать при отключенном управляющем напряжении. Ток анода ограничен только внешней цепью. Для переключения КУВ в непроводящее состояние необходимо уменьшить напряжение анод-катод до нуля. Это обеспечит запирание обоих транзисторов, и они останутся запертыми до тех пор, пока опять не будет подано управляющее напряжение.

КУВ включается положительным управляющим напряжением и выключается уменьшением напряжения анод-катод до нуля. Когда КУВ включен и проводит ток от катода к аноду, его проводимость в прямом направлении достаточно велика. Если изменить полярность напряжения катод-анод, через цепь, проводимость которой резко уменьшится, будет течь только маленький ток утечки.

На рис. 24-4 показано схематическое обозначение КУВ. Оно представляет собой обозначение диода, к которому подсоединен управляющий электрод. Выводы обычно обозначаются буквами К (катод), А (анод) и У (управляющий электрод).

Рис. 24-4. Схематическое обозначение КУВ.

На рис. 24-5 показаны несколько корпусов КУВ.

Рис. 24-5. Наиболее распространенные корпуса КУВ.

Правильно смещенный КУВ показан на рис. 24-6.

Рис. 24-6. Правильно смещенный КУВ.

Переключатель используется для подачи и снятия управляющего напряжения. Резистор R_C используется для ограничения тока управляющего электрода. Напряжение между анодом и катодом обеспечивается источником переменного напряжения. Последовательно включенный резистор (R_L) используется для ограничения тока анод-катод во включенном состоянии. Без резистора R_L через КУВ может течь слишком большой ток, способный повредить его.

КУВ используются, главным образом, для управления подачей мощности постоянного и переменного тока на различные типы нагрузок, а также в качестве переключателей для включения и выключения цепей. Они также могут быть использованы для плавной регулировки мощности, подаваемой на нагрузку. При использовании КУВ, малый ток управляющего электрода может управлять большим током нагрузки.

Когда КУВ используется в цепи постоянного тока, не существует простого метода его выключения без снятия напряжения с нагрузки. Эту проблему можно решить путем подсоединения выключателя параллельно КУВ (рис. 24-7).

Рис. 24-7. Выключение питания в цепи постоянного тока.

Когда переключатель S₂ включен, он закорачивает КУВ. Это уменьшает напряжение между анодом и катодом до нуля, прямой ток падает, и КУВ выключается.

Когда КУВ используется в цепи переменного тока, он проводит ток только в течение половины каждого периода переменного тока, когда потенциал анода положителен по отношению к катоду. Когда управляющий ток приложен к электроду постоянно, КУВ проводит постоянно. Если управляющий ток электрода отсутствует в течение половины периода, КУВ выключается и остается выключенным до тех пор, пока на управляющий электрод ток не будет подан снова. Необходимо отметить, что при этом на нагрузку подается только половина мощности. КУВ можно использовать для управления током в течение обоих полупериодов каждого цикла, если выпрямить переменный управляющий ток перед подачей на КУВ.

На рис. 24-8 показана простая однополупериодная регулирующая цепь. Цепь обеспечивает фазовый сдвиг напряжения, подаваемого на анод, на угол от нуля до 90 градусов. Диод D₁ блокирует подачу на управляющий электрод напряжения обратной полярности в течение отрицательного полупериода напряжения, приложенного к аноду.

Рис. 24-8. Однополупериодная цепь управления.

24-1. Вопросы

Триак — это двунаправленный триодный тиристор[3]. Триаки имеют такие же переключательные характеристики как и КУВ, но проводят переменный ток в обоих направлениях. Триак эквивалентен двум КУВ, включенным встречно-параллельно (рис. 24-9).

Рис. 24-9. Эквивалентная схема триака.

Так как триак может управлять током, текущим в любом направлении, он широко используется для управления подачей переменного тока на различные типы нагрузок.

Триак включается подачей тока на управляющий электрод и выключается уменьшением рабочего тока до величины, меньшей уровня удержания его в проводящем состоянии, рассчитан на пропускание прямого и обратного тока.

На рис. 24–10 показана упрощенная схема триака.

Рис. 24–10. Упрощенная схема конструкции триака.

Триак является четырехслойным устройством типа n-р-n-р, соединенным параллельно с устройством типа р-n-р-n, и рассчитанным на управление током, текущим через управляющий электрод. Выводы входа и выхода обозначаются МТ1 и МТ2. Эти выводы соединены с р-n-переходами на противоположных концах устройства. Вывод МТ1 представляет собой опорную точку, относительно которой измеряется напряжение и ток на управляющем электроде. Управляющий электрод (У) соединен с р-n-переходом на том же конце устройства, что и МТ1. От вывода МТ1 до вывода МТ2 сигнал должен пройти через последовательность слоев n-р-n-р или р-n-р-n.

Схематическое обозначение триака показано на рис. 24–11. Устройство состоит из двух диодов, включенных встречно-параллельно, и управляющего электрода. Выводы имеют обозначения МТ1, МТ2 и У (управляющий электрод). Некоторые корпуса триаков показаны на рис. 24–12.

Рис. 24–11. Схематическое обозначение триака.

Рис. 24–12. Наиболее распространенные типы корпусов триаков.

Триак может быть использован в качестве переключателя переменного тока (рис. 24–13) или для управления величиной мощности переменного тока, подаваемой в нагрузку (рис. 24–14).

Рис. 24–13. Переключатель переменного тока на основе триака.

Рис. 24–14. Цепь управления переменным током на основе триака.

Триаки передают в нагрузку полную мощность. При использовании триака для регулировки величины мощности, подаваемой в нагрузку, необходимо специальное запускающее устройство для обеспечения его работы в течение заданного промежутка времени. Запускающее устройство необходимо потому, что триак имеет не одинаковую чувствительность к токам управляющего электрода, текущим в противоположных направлениях.

Триаки обладают недостатками по сравнению с КУВ: они способны управлять токами не более 25 ампер, тогда как КУВ могут управлять токами до 1400 ампер. Максимально допустимое напряжение для триаков — 500 вольт, а для КУВ — 2600 вольт. Триаки рассчитаны на работу при низких частотах (от 50 до 400 герц), тогда как КУВ могут работать на частотах до 30000 герц. Триаки также имеют трудности при переключении мощности на индуктивной нагрузке.

24-2. Вопросы

Двунаправленные симметричные диодные тиристоры (или двунаправленные запускающие диоды) используются в цепях с триаками, так как триаки имеют несимметричные запускающие характеристики, то есть, они имеют не одинаковую чувствительность к токам управляющего электрода, текущим в противоположных направлениях. Диак наиболее часто используется в качестве запускающего устройства.

Диак сконструирован так же, как и транзистор. Он имеет три слоя с чередующимися типами проводимости (рис. 24–15). Разница в конструкции состоит в том, что концентрация легирующих примесей у обоих переходов диака одинакова. Выводы подсоединены только к внешним слоям. Поскольку диаки имеют только два вывода, они выпускаются в таких же корпусах, что и диоды.

Рис. 24–15. Упрощенная схема диака.

Поскольку оба перехода легированы одинаково, диак влияет на ток, независимо от его направления. Один переход смещается в прямом направлении, а другой — в обратном. Обратно смещенный переход управляет током, текущим через диак. Работа диака аналогична работе двух диодов, включенных встречно-последовательно (рис. 24–16).

Рис. 24–16. Эквивалентная схема диака.

Диак остается закрытым до тех пор, пока приложенное в любом направлении напряжение не станет достаточным для того, чтобы пробить обратно смещенный переход. Это напряжение называется напряжением включения, и при этом напряжении диак включается и начинает проводить ток, который повышается до значения, ограниченного последовательно включенным резистором.

Схематическое обозначение диака показано на рис. 24–17. Оно аналогично обозначению триака. Разница лишь в том, что диак не имеет управляющего электрода.

Рис. 24–17. Схематическое обозначение диака.

Диаки чаще всего используются в качестве запускающего устройства для триаков. Каждый раз, когда диак включается, он позволяет току течь через управляющий электрод триака, тем самым включая триак. Диак используется вместе с триаком для обеспечения двухполупериодного управления сигналами переменного тока.

На рис. 24–18 показана двухполупериодная схема с фазовым управлением. Переменный резистор R₁ и конденсатор C₁ образуют фазосдвигающую цепь. Когда напряжение на конденсаторе C₁ достигает напряжения включения диака, он частично разряжается через диак и управляющий электрод триака. Этот разряд создает импульс, переключающий триак в проводящее состояние. Такая цепь полезна при управлении мощностью ламп, нагревателей и скоростью небольших электродвигателей.

Рис. 24–18. Двухполупериодная схема с фазовым управлением.

24-3. Вопросы

Как и другие полупроводниковые устройства, тиристоры могут выходить из строя. Их можно проверить с помощью тестирующего оборудования или омметра. При использовании тестирующего оборудования для проверки тиристоров обратитесь к инструкции по эксплуатации прибора.

Омметр способен выявить большинство дефектных тиристоров, но не может обнаружить неисправности при работе в предельных режимах, а также использоваться при измерениях в чувствительных к напряжению устройствах.

Однако он может дать достаточную информацию о состоянии тиристора.

Проверка КУВ с помощью омметра

1. Определите полярность выводов омметра. Белый вывод является положительным, а черный — отрицательным.

2. Подсоедините выводы омметра — положительный к катоду, а отрицательный к аноду. Сопротивление должно превышать 1 МОм.

3. Поменяйте выводы местами — отрицательный к катоду, а положительный к аноду. Сопротивление опять должно превышать 1 МОм.

4. Оставив выводы омметра подсоединенными, как в п. З, соедините управляющий электрод с анодом. Сопротивление должно упасть до величины, меньшей 1 МОм.

5. Удалите соединение между управляющим электродом и анодом. Если используется низкоомная шкала омметра, то сопротивление должно оставаться низким. Если используется высокоомная шкала омметра, сопротивление должно вернуться к прежнему значению, превышающему 1 МОм. На высокоомных шкалах омметр не обеспечивает достаточного тока, чтобы удержать включенное состояние КУВ при удалении соединения.

6. Отсоедините выводы омметра от КУВ и повторите тест.

Так как некоторые омметры не дают однозначного результата на шаге 5, достаточно и шага 4.

Проверка триаков с помощью омметра

1. Определите полярность выводов омметра.

2. Соедините положительный вывод омметра с выводом МТ1, а отрицательный с выводом МТ2. Сопротивление должно быть высоким.

3. Оставив выводы омметра подсоединенными, как в п. 2, соедините управляющий электрод с МТ1. Сопротивление должно упасть.

4. Удалите соединение управляющего электрода с МТ1. Сопротивление должно остаться низким. Омметр может не обеспечить достаточного тока для удержания триака в открытом состоянии, если управляющий электрод требует большого тока.

5. Отсоедините выводы омметра и соедините их так, как указано в п. 2. Сопротивление опять должно быть высоким.

6. Соедините управляющий электрод с МТ2. Сопротивление должно упасть.

7. Удалите соединение управляющего электрода с МТ2. Сопротивление должно остаться низким.

8. Отсоедините выводы омметра и поменяйте их местами — отрицательный вывод соедините с МТ1, а положительный — с МТ2. Сопротивление должно быть высоким.

9. Соедините управляющий электрод с МТ1. Сопротивление должно упасть.

10. Удалите соединение управляющего электрода с МТ1. Сопротивление должно остаться низким.

11. Отсоедините выводы омметра и снова подсоедините их в такой же конфигурации. Сопротивление опять должно быть высоким.

12. Соедините управляющий электрод с МТ2. Сопротивление должно упасть.

13. Удалите соединение управляющего электрода с МТ2. Сопротивление должно остаться низким.

14. Отсоедините выводы омметра и снова подсоедините их. Сопротивление должно быть высоким.

Проверка диаков с помощью омметра

При проверке диаков с помощью омметра низкое сопротивление в любом направлении указывает на то, что устройство не открыто (неисправно), однако это не свидетельствует о том, что устройство закорочено. Дальнейшая проверка диака требует специальной цепи для проверки напряжения на его выводах (рис. 24–19).

Рис. 24–19.Динамическая проверка диака.

24-4. Вопросы

РЕЗЮМЕ

• К тиристорам относятся КУВ (кремниевые управляемые вентили), триаки и диаки.

• КУВ управляют током, текущим в одном направлении, с помощью положительного сигнала на управляющем электроде.

• КУВ запираются при уменьшении напряжения анод-катод до нуля.

• КУВ могут быть использованы для управления током в цепях постоянного и переменного тока.

• Схематическим обозначением КУВ является:

• Триаки — это двунаправленные триодные тиристоры.

• Триаки могут управлять током, текущим в любом направлении, с помощью либо положительного, либо отрицательного сигнала на управляющем электроде.

• Схематическим обозначением триака является:

• КУВ могут управлять токами до 1400 ампер, а триаки — только до 25 ампер.

• КУВ имеют предельные напряжения до 2600 вольт, а триаки — только до 500 вольт.

• КУВ могут работать на частотах до 30000 герц, а триаки — на частотах до 400 герц.

• Поскольку триаки имеют несимметричные запускающие характеристики, для их запуска требуются диаки.

• Диаки — это двунаправленные запускающие диоды.

• Схематическим обозначением диака является:

• Диаки используются главным образом, как запускающие устройства для триаков.

• Тиристоры могут быть проверены с помощью специальных приборов для проверки транзисторов или с помощью омметров.

Глава 24. САМОПРОВЕРКА

Глава 25. Интегральные микросхемы

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

Применение транзисторов и других полупроводниковых устройств, благодаря их малым размерам и незначительному энергопотреблению, позволило существенно уменьшить размеры электронных цепей. В настоящее время стало возможным расширить этот принцип и рассматривать цепи как отдельные компоненты. Целью разработки интегральных микросхем является получение устройства, выполняющего определенную функцию, такую, как например, усиление или переключение, устраняющего разрыв между отдельными компонентами и цепями.

Интегральные микросхемы стали популярными благодаря нескольким факторам:

• Они надежны в сложных цепях.

• Они потребляют малую мощность.

• Они имеют малые размеры и вес.

• Они экономичны в производстве.

• Они предлагают новые и лучшие решения системных задач.

Интегральная микросхема (ИС) — это законченная электронная цепь в корпусе не большем, чем стандартный маломощный транзистор (рис. 25-1).

Рис. 25-1. Корпуса интегральных микросхем.

Цепь состоит из диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. Интегральные микросхемы производятся по такой же технологии и из таких же материалов, которые используются при производстве транзисторов и других полупроводниковых устройств.

Наиболее очевидным преимуществом интегральной микросхемы является ее малый размер. Интегральная микросхема состоит из кристалла полупроводникового материала, размером примерно в один квадратный сантиметр. Благодаря малым размерам интегральные микросхемы находят широкое применение в военных и космических программах. Интегральная микросхема превратила калькулятор из настольного в ручной инструмент. Компьютерные системы, которые раньше занимали целые комнаты, теперь превратились в портативные модели благодаря интегральным микросхемам.

Вследствие малых размеров, интегральные микросхемы потребляют меньшую мощность и работают с более высокой скоростью, чем стандартные транзисторные цепи. Время перемещения электронов уменьшилось благодаря прямой связи внутренних компонент.

Интегральные микросхемы более надежны чем непосредственно связанные транзисторные цепи. В интегральной микросхеме внутренние компоненты соединены непрерывно. Все компоненты сформированы одновременно, что уменьшает вероятность ошибки. После того как интегральная микросхема сформирована, она проходит предварительное тестирование перед окончательной сборкой.

Производство многих типов интегральных микросхем унифицировано, и это приводит к существенному снижению их стоимости. Производители предлагают полные и стандартные линии микросхем. Интегральные микросхемы специального назначения могут производится и по специальному заказу, но если их количество невелико, это приводит к повышению их стоимости.

Интегральные микросхемы уменьшают количество деталей, необходимых для конструирования электронного оборудования. Это уменьшает списки деталей и, следовательно, накладные расходы производителя, что в дальнейшем снижает цену электронного оборудования.

Интегральные микросхемы имеют также и некоторые недостатки. Они не могут работать при больших значениях тока и напряжения. Большие токи создают избыточное тепло, повреждающее устройство. Высокие напряжения пробивают изоляцию между различными внутренними компонентами. Большинство интегральных микросхем являются маломощными устройствами, питающимися напряжением от 5 до 15 вольт и потребляющими ток, измеряющийся миллиамперами. Это приводит к потреблению мощности, меньшей чем 1 ватт.

Интегральные микросхемы содержат компоненты только четырех типов: диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Диоды и транзисторы — самые простые в изготовлении компоненты. Чем больше сопротивление резистора, тем больше он по размерам. Конденсаторы занимают больше места, чем резисторы, и также увеличиваются в размере по мере увеличения емкости.

Интегральные микросхемы не ремонтируются. Это обусловлено тем, что внутренние компоненты не могут быть отделены друг от друга. Следовательно, проблема ремонта решается заменой микросхемы, а не заменой отдельных компонент. Преимущество этого «недостатка» состоит в том, что он сильно упрощает эксплуатацию систем высокой сложности и уменьшает время, необходимое персоналу для сервисного обслуживания оборудования.

Если все факторы собрать вместе, то преимущества перевесят недостатки. Интегральные микросхемы уменьшают размеры, вес и стоимость электронного оборудования, одновременно увеличивая его надежность. По мере усложнения микросхем, они стали способны выполнять более широкий круг операций.

25-1. Вопросы

Интегральные микросхемы классифицируются согласно способу их изготовления. Наиболее широко используются следующие способы изготовления: монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный.

Монолитные интегральные микросхемы изготавливаются так же, как и транзисторы, но включают несколько дополнительных шагов (рис. 25-2).

Рис. 25-2. Монолитный метод изготовления микросхем.

Рис. 25-2. Продолжение.

Изготовление интегральной микросхемы начинается с круглой кремниевой пластины, диаметром 8-10 сантиметров и около 0,25 миллиметра толщиной. Она служит основой (подложкой), на которой формируется интегральная микросхема. На одной подложке одновременно формируется много интегральных микросхем, до нескольких сотен, в зависимости от размера подложки. Обычно на подложке все микросхемы одинакового размера и типа и содержат одинаковое количество и одинаковые типы компонент.

После изготовления интегральные микросхемы тестируются прямо на подложке. После тестирования подложка разрезается на отдельные чипы. Каждый чип представляет собой одну интегральную микросхему, содержащую все компоненты и соединения между ними. Каждый чип, который проходит тест контроля качества, монтируется в корпус. Несмотря на то, что одновременно изготовляется большое количество интегральных микросхем, далеко не все из них оказываются пригодными для использования.

Эффективность производства характеризуют таким параметром как выход. Выход — это максимальное число пригодных интегральных микросхем по сравнению с полным числом изготовленных.

Тонкопленочные интегральные микросхемы формируются на поверхности изолирующей подложки из стекла или керамики, обычно размером около 5 квадратных сантиметров. Компоненты (резисторы и конденсаторы) формируются с помощью очень тонких пленок металлов и окислов, наносимых на подложку. После этого наносятся тонкие полоски металла для соединения компонентов.

Диоды и транзисторы формируются как отдельные полупроводниковые устройства и подсоединяются в соответствующих местах. Резисторы формируются нанесением тантала или нихрома на поверхность подложки в виде тонкой пленки толщиной 0,0025 миллиметра. Величина резистора определяется длиной, шириной и толщиной каждой полоски. Проводники формируются из металлов с низким сопротивлением, таких как золото, платина или алюминий. С помощью этого процесса можно создать резистор с точностью ±0,1 %.

Возможно также получить отношение резисторов с точностью ±0,01 %. Такие точные отношения важны для правильной работы некоторых цепей.

Тонкопленочные конденсаторы состоят из двух тонких слоев металла, разделенных тонким слоем диэлектрика. Металлический слой нанесен на подложку.

После этого на металл наносится слой окисла, образующего диэлектрическую прокладку конденсатора. Она формируется обычно такими изолирующими материалами, как окись тантала, окись кремния или окись алюминия. Верхняя часть конденсатора создается из золота, тантала или платины, нанесенных на диэлектрик. Полученное значение емкости конденсатора зависит от площади электродов, а также от толщины и типа диэлектрика.

Чипы диодов и транзисторов формируются с помощью монолитной техники и устанавливаются на подложке. После этого они электрически соединяются с тонкопленочной цепью с помощью очень тонких проводников.

Материалы, используемые для компонентов и провод- ников, наносятся на подложку методом испарения в вакууме или методом напыления. В процессе испарения в вакууме материал достигает предварительно нагретой подложки, помещенной в вакуум. После этого пары конденсируются на подложке, образуя тонкую пленку.

Процесс напыления происходит в газонаполненной камере при высоком напряжении. Высокое напряжение ионизирует газ, и материал, который должен быть напылен, бомбардируется ионами. Ионы выбивают атомы из напыляемого материала, которые затем дрейфуют по направлению к подложке, где и осаждаются в виде тонкой пленки. Для осаждения пленки нужной формы и в нужном месте используется маска. Другой метод состоит в покрытии всей подложки полностью и вырезания или вытравливания ненужных участков.

При толстопленочном методе резисторы, конденсаторы и проводники формируются на подложке методом трафаретной печати: над подложкой размещается экран из тонкой проволоки и металлизированные чернила делают сквозь него отпечаток. Экран действует как маска. Подложка и чернила после этого нагреваются до температуры свыше 600 градусов Цельсия для затвердевания чернил.

Толстопленочные конденсаторы имеют небольшие значения емкости (порядка пикофарад). В тех случаях, когда требуются более высокие значения емкости, используются дискретные конденсаторы. Толстопленочные компоненты имеют толщину 0,025 миллиметра. Толстопленочные компоненты похожи на соответствующие дискретные компоненты.

Гибридные интегральные микросхемы формируются с использованием монолитных, тонкопленочных, толстопленочных и дискретных компонентов. Это позволяет получать цепи высокой степени сложности, применяя монолитные цепи, и в то же самое время использовать преимущества высокой точности и малых допусков, которые дает пленочная техника. Дискретные компоненты употребляются потому, что они могут работать при относительно высокой мощности.

Если изготовляется небольшое количество микросхем, то дешевле использовать гибридный метод формирования. При гибридном процессе основные расходы приходятся на соединение и сборку компонентов и упаковку устройства в корпус. Так как гибридные микросхемы используют дискретные компоненты, они больше и тяжелее, чем монолитные интегральные микросхемы. Использование дискретных компонентов делает гибридные микросхемы менее надежными, чем монолитные.

25-2. Вопросы

Интегральные микросхемы упаковываются в корпуса, рассчитанные на защиту их от влаги, пыли и других загрязнений. Наиболее популярным является корпус с двухрядным расположением выводов (DIP). Он производится нескольких размеров для того, чтобы соответствовать различным размерам интегральных микросхем: микросхемам малой степени интеграции (SSI), микросхемам средней степени интеграции (MSI), микросхемам большой степени интеграции (LSI или БИС) и сверхбольшим интегральным микросхемам (VLSI или СБИС) (рис. 25-3).

Рис. 25-3. Семейства интегральных микросхем.

Корпуса изготовляются либо из керамики, либо из пластмассы. Пластмассовые корпуса дешевле и более пригодны для применения при рабочей температуре от 0 до 70 градусов Цельсия. Микросхемы в керамических корпусах дороже, но обеспечивают лучшую защиту от влаги и загрязнений. Они, кроме того, работают в более широком диапазоне температур (от -55 до +125 градусов Цельсия). Микросхемы в керамических корпусах рекомендуются для использования в военной и аэрокосмической технике, а также в некоторых отраслях промышленности.

Маленький 8-выводный корпус типа DIP используется для устройств с минимальным количеством входов и выходов. В нем располагаются, главным образом, монолитные интегральные микросхемы.

Плоские корпуса меньше и тоньше чем корпуса типа DIP и они используются в случаях, когда пространство ограничено. Они изготовляются из металла или керамики и работают в диапазоне температур от -55 до +125 градусов Цельсия.

После того как интегральная микросхема заключена в корпус, она тестируется для проверки ее соответствия всем требуемым параметрам. Тестирование проводится в широком диапазоне температур.

25-3. Вопросы

1. Каково назначение корпусов интегральных микросхем?

2. Какие корпуса чаще всего используются для интегральных микросхем?

3. Какие материалы используются для корпусов интегральных микросхем?

4. В чем преимущества керамических корпусов?

5. В чем преимущество плоских корпусов интегральных микросхем?

РЕЗЮМЕ

• Интегральные микросхемы популярны, потому что они:

— более надежны в качестве сложных цепей;

— потребляют маленькую мощность;

— являются миниатюрными и легкими;

— экономичны при изготовлении;

— обеспечивают новые и лучшие решения проблем.

• Интегральные микросхемы не могут работать при больших значениях токов и напряжений.

• Элементами интегральных микросхем могут быть только диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы.

• Интегральные микросхемы нельзя отремонтировать, их можно только заменить.

• Для изготовления интегральных микросхем используются монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный способы изготовления.

• Наиболее популярным корпусом интегральных микросхем является корпус типа DIP (с двухрядным расположением выводов)

• Корпуса интегральных микросхем изготовляются из керамики или пластмассы, но пластмассовые корпуса используются чаще.

Глава 25. САМОПРОВЕРКА

Глава 26. Оптоэлектронные устройства

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

Полупроводники вообще, и полупроводниковые диоды в частности, широко используются в оптоэлектронике. А именно, в качестве устройств, взаимодействующих с электромагнитным излучением (световой энергией) в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.

Три типа устройств, которые взаимодействуют со светом:

• Устройства для регистрации света;

• Устройства для преобразования света;

• Светоизлучающие устройства.

Полупроводниковый материал и использованная техника легирования определяют длину световой волны для каждого конкретного устройства.

Свет — это электромагнитное излучение, видимое человеческим глазом. Свет распространяется подобно радиоволнам. Как и радиоволны, свет имеет свою длину волны.

Свет распространяется в вакууме со скоростью 300000000 метров в секунду. В различных средах скорость света меньше. Частота световых колебаний лежит в диапазоне от 300 до 300000000 гигагерц (1 гигагерц = 1000000000 герц). Из этого частотного диапазона только небольшая часть видима человеческим глазом. Видимый диапазон простирается примерно от 400000 до 750000 гигагерц. Частота инфракрасного излучения лежит ниже 400000 гигагерц, а частота ультрафиолетового излучения — выше 750000 гигагерц.

Световые волны в верхней части частотного диапазона обладают большей энергией, чем световые волны в нижней части диапазона.

26-1. Вопросы

Фоторезистор — это старейшее из оптоэлектронных устройств. Его внутреннее сопротивление изменяется при изменении интенсивности света. Изменение сопротивления не пропорционально интенсивности света. Фотосопротивления изготовляют из светочувствительных материалов, таких как сульфид кадмия (CdS) или селенид кадмия (CdSe).

На рис. 26-1 показано типичное фотосопротивление.

Рис. 26-1. Фотосопротивление.

Светочувствительный материал нанесен на изолирующую подложку из стекла или керамики в виде S-образной фигуры для увеличения длины фотосопротивления. Фотосопротивление более чувствительно к свету, чем другие устройства. Его сопротивление может изменяться от нескольких сотен мегом до нескольких сотен ом. Оно применяется при низких интенсивностях света. Фотосопротивление может выдерживать высокие рабочие напряжения 200–300 вольт при малом потреблении мощности — до 300 милливатт. Недостатком фотосопротивлений является медленный отклик на изменения света.

На рис. 26-2 показаны схематические обозначения фотосопротивления. Стрелки показывают, что это — светочувствительное устройство. Иногда для обозначения светочувствительного устройства используется греческая буква лямбда (λ).

Рис. 26-2. Схематические обозначения фотосопротивления.

Фотосопротивления используются для измерения интенсивности света в фотографическом оборудовании, в охранных датчиках, в устройствах автоматического открывания дверей, в различном тестирующем оборудовании для измерения интенсивности света.

Фотогальванический элемент (солнечный элемент) преобразует световую энергию непосредственно в электрическую. Батареи солнечных элементов применяются главным образом для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.

Солнечный элемент — это устройство на основе р-n-перехода, выполненное из полупроводниковых материалов.

В большинстве случаев их делают из кремния. На рис. 26-3 показано устройство солнечного элемента.

Рис. 26-3. Устройство солнечного элемента.

Слои p-типа и n-типа образуют р-n-переход. Металлическая подложка и металлический контакт являются электрическими контактами. Они проектируются с большой площадью поверхности. Свет, попадая на поверхность солнечного элемента, передает большую часть своей энергии атомам полупроводникового материала. Световая энергия выбивает валентные электроны с их орбит, создавая свободные электроны.

Вблизи обедненного слоя электроны притягиваются материалом n-типа, создавая небольшое напряжение вдоль р-n-перехода. При увеличении интенсивности света это напряжение увеличивается. Однако не вся световая энергия, попадающая в солнечный элемент, создает свободные электроны. В действительности, при сравнении получаемой от него электрической мощности с мощностью падающей световой энергии легко увидеть, что солнечный элемент — это довольно неэффективное устройство с максимальным коэффициентом полезного действия порядка 15 %.

Солнечные элементы дают низкое выходное напряжение 0,45 вольта при токе 50 миллиампер. Их необходимо соединять в последовательно- параллельные цепи для того, чтобы получить желаемое выходное напряжение и ток.

Солнечные элементы применяются для измерения интенсивности света в фотографическом оборудовании, для декодирования звуковой дорожки в кинопроекторах и для зарядки батарей на космических спутниках.

Схематические обозначения солнечных элементов показаны на рис. 26-4. Положительный вывод обозначается знаком плюс (+).

Рис. 26-4. Схематические обозначения солнечного элемента.

Фотодиод также использует р-n-переход и его устройство подобно устройству солнечного элемента. Он используется так же, как и фотосопротивление в качестве резистора, сопротивление которого меняется при освещении. Фотодиоды — это полупроводниковые устройства, которые изготовляются главным образом из кремния. Это делается двумя способами. Первый способ — создание простого р-n-перехода (рис. 26-5).

Рис. 26-5. Фотодиод с р-n-переходом.

При другом способе между слоями p-типа и n-типа вставляется слой нелегированного полупроводника, образуя p-i-n фотодиод (рис. 26-6).

Принципы работы фотодиода с р-n-переходом такие же как у солнечного элемента, за исключением того, что он используется для управления током, а не для создания его.

К фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения, формирующее широкий обедненный электронами слой. Когда свет попадает в фотодиод, он попадает в обедненный слой и создает там свободные электроны. Электроны притягиваются к положительному выводу источника смещения. Через фотодиод в обратном направлении течет малый ток. При увеличении светового потока увеличивается число свободных электронов, что приводит к росту тока.

P-i-n фотодиод имеет слой нелегированного материала между областями р и n. Это эффективно расширяет обедненный слой. Более широкий обедненный слой позволяет p-i-n фотодиоду реагировать на свет с более низкими частотами. Свет с более низкими частотами имеет меньшую энергию и, следовательно, должен глубже проникать в обедненный слой перед созданием свободных электронов. Более широкий обедненный слой дает больше возможностей для создания свободных электронов, p-i-n фотодиоды являются более эффективными во всех отношениях.

Благодаря слою нелегированного материала, p-i-n фотодиоды имеют более низкую собственную емкость. Это обеспечивает быстрый отклик на изменения интенсивности света. Кроме того, изменение их обратного тока в зависимости от интенсивности является более линейным.

Преимущество фотодиода — его быстрый отклик на изменения интенсивности света, самый быстрый из всех фоточувствительных устройств. Недостаток — низкая выходная мощность по сравнению с другими фоточувствительными устройствами.

На рис. 26-7 изображен типичный корпус фотодиода. Стеклянное окошко позволяет свету попадать в фотодиод. Схематическое обозначение фотодиода показано на рис. 26-8. Типичная цепь изображена на рис. 26-9.

Рис. 26-7. Корпус фотодиода.

Рис. 26-8. Схематическое обозначение фотодиода.

Рис. 26-9. Делитель напряжения, использующий фотодиод.

Фототранзистор устроен подобно другим транзисторам с двумя р-n-переходами. Он похож на стандартный n-р-n транзистор. Используется так же, как и фотодиод, и имеет корпус как у фотодиода, за исключением того, что у него три вывода (эмиттер, база и коллектор). На рис. 26–10 показана его эквивалентная цепь.

Рис. 26–10. Эквивалентная схема фототранзистора.

Проводимость транзистора зависит от проводимости фотодиода. Вывод базы применяется редко. Когда он все же используется, на него подается напряжение, открывающее транзистор.

Фототранзисторы могут давать больший выходной ток, чем фотодиоды. Их отклик на изменения интенсивности света не так быстр, как у фотодиодов. В данном случае за увеличение выходного тока приходится жертвовать скоростью отклика.

Фототранзисторы применяются в фототахометрах, для управления фотографической экспозицией, в противопожарных датчиках, в счетчиках предметов и в механических позиционерах.

На рис. 26–11 изображено схематическое обозначение фототранзистора. На рис. 26–12 изображена типичная схема его применения.

Рис. 26–11. Схематическое обозначение фототранзистора.

Рис. 26–12. Переключатель нагрузки, питаемой постоянным током, зависящий от освещения (при отсутствии света нагрузка включена).

26-2. Вопросы

Светоизлучающие устройства излучают свет при прохождении через них тока, преобразуя электрическую энергию в световую. Светоизлучающий диод (светодиод) — это наиболее распространенное полупроводниковое светоизлучающее устройство. Будучи полупроводниковым устройством, он имеет неограниченный срок службы ввиду отсутствия высокотемпературного нагрева, основной причины выхода из строя обычных ламп.

Любой р-n-переход может испускать свет при прохождении через него тока. Свет возникает, когда свободные электроны рекомбинируют с дырками, и лишняя энергия освобождается в виде света. Частота испускаемого света определяется типом полупроводникового материала, использованного при изготовлении диода. Обычные диоды не излучают свет потому, что они упакованы в непрозрачные корпуса.

Светодиоды — это просто диоды с р-n-переходом, которые излучают свет при прохождении через них тока. Этот свет виден потому, что светодиоды упакованы в полупрозрачный материал. Частота излучаемого света зависит от материала, использованного при изготовлении светодиода.

Арсенид галлия (GaAs) излучает свет в инфракрасном диапазоне, который не воспринимается человеческим глазом. Арсенид-фосфид галлия излучает видимый красный свет. Изменяя содержание фосфора, можно получить светодиоды, излучающие свет различной частоты.

На рис. 26–13 показано устройство светодиода. Слой типа р сделан тонким для того, чтобы не препятствовать прохождению света, излучаемого р-n-переходом.

Рис. 26–13. Устройство светодиода.

После изготовления светодиод помещается в корпус, который рассчитан на максимальное пропускание света. На рис. 26–14 показаны наиболее распространенные корпуса светодиодов. Многие светодиоды содержат линзы, собирающие свет и увеличивающие его интенсивность. Корпус светодиода может также служить светофильтром для того, чтобы обеспечить излучение света определенной частоты.

Рис. 26–14. Распространенные типы корпусов светодиодов.

Для того, чтобы светодиод излучал свет, на него должно быть подано прямое смещающее напряжение (рис. 26–15).

Рис. 26–15. Светодиод, смещенный в прямом направлении.

Для того, чтобы через светодиод шел ток, величина прямого смещения должна превышать 1,2 вольта. Так как светодиод легко может быть поврежден большим током или напряжением, последовательно с ним включается резистор для ограничения тока.

Схематическое обозначение светодиода показано на рис. 26–16. На рис. 26–17 изображена цепь с правильно поданным смещением. Включенный последовательно резистор (R_S) используется для ограничения прямого тока (I_Y).

Рис. 26–16. Схематическое обозначение светодиода.

Рис. 26–17. Цепь с правильно смещенным светодиодом.

На рис. 26–18 показаны сборки светодиодов в виде семисегментных индикаторов, используемых для отображения цифр. На рис. 26–19 показан светодиод, образующий вместе с фотодиодом оптопару. Оба устройства размещены в одном корпусе.

Рис. 26–18. Семисегментные индикаторы на основе светодиодов для отображения цифр.

Рис. 26–19. Коммерческая оптопара.

Оптопара состоит из светодиода и фототранзистора. Они связаны световым лучом, излучаемым светодиодом. Сигнал, поступающий на светодиод, может меняться, что, в свою очередь, изменяет интенсивность излучаемого света. Фототранзистор преобразует изменения света опять в электрическую энергию. Оптопара позволяет передавать сигнал от одной цепи к другой, обеспечивая высокую степень электрической изоляции их друг от друга.

26-3. Вопросы

• Полупроводниковые устройства, которые взаимодействуют со светом, делятся на светорегистрирующие устройства, устройства, преобразующие свет и светоизлучающие.

• Свет — это электромагнитное излучение, которое воспринимается человеческим глазом.

• Частотные диапазоны света следующие:

— инфракрасное излучение — менее 400000 гигагерц;

— видимое излучение — 400000-750000 гигагерц;

— ультрафиолетовое излучение — более 750000 гигагерц;

• Светочувствительные устройства включают фотосопротивления, солнечные элементы, фотодиоды и фототранзисторы.

• Светоизлучающие устройства включают светодиоды (светоизлучающие диоды).

• Оптопара содержит светочувствительное устройство и светоизлучающее устройство.

• Схематические обозначения светочувствительных устройств следующие:

• Схематическое обозначение светодиода следующее:

Глава 26. САМОПРОВЕРКА