спеціаліста напрямку 6.050901 «РАДІОТЕХНІКА» …•лектронні прилади та... · зарядів – електричний струм

Міністерство освіти і науки України

Коледж радіоелектроніки

ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ

ТА МІКРОЕЛЕКТРОНІКА

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

нормативно навчальної дисципліни підготовки молодшого

спеціаліста напрямку 6.050901 «РАДІОТЕХНІКА»

спеціальності 5.05090101 «Конструювання, виробництво

технічне обслуговування радіотехнічних пристроїв» Шифр за

ОПП ППЗ,04)

Дніпро

2017

Конспект лекцій складено викладачем

Нежейко В.А.

Конспект лекцій розглянуто та схвалено на засіданні ЦК загальних

електротехнічних дисциплін.

Протокол № 1 від 30.08.2017 р.

ТЕМА: ОСНОВИ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕОРІЇ

У відповідності з електронною теорією усі речовини складаються з атомів.

Атом, у свою чергу, складається з протонів, нейтронів та електронів. Протони мають

позитивний електричний заряд, електрони – від’ємний, а нейтрони електрично

нейтральні. Протони та нейтрони утворюють ядро, навкруги якого обертаються по

певним замкнених траекторіях від’ємно заряджені електрони. У нормальному стані

атом електрично нейтральний. Електрони, які розташовані на зовнішніх орбітах

атомів, називаються валентними. Електрони, які звільнилися від ковалентних

зв’язків, називаються вільними. При наявності зовнішнього електричного поля

неупорядкований рух вільних електронів стає упорядкованим, виникає електричний

струм. Чим більша кількість вільних електронів, тим вища електропровідність

речовини. Цим пояснюється розподіл твердих тіл на провідники, напівпровідники та

діелектрики. Загубивши або отримавши електрони, нейтральний в електричному

відношенні атом стає зарядженим і називається іоном, а процес – іонізацією.

Під час переходу електрона з вищого енергетичного рівня на нижчий

виділяється деяка кількість енергії, названа квантом або фотоном. Згідно з зонною

теорією твердого тіла енергетичні рівні об’єднуються у дозволені зони.

Рисунок 1. Схеми рівнів енергії: а – у металах; б – у діелектриках; в – у власних

напівпровідниках

1

Під впливом зовнішніх факторів можливий вихід електронів із твердого тіла.

Сукупність позитивних іонів біля поверхні металу і електронів, які з’являються над

поверхнею, називається подвійним електричним шаром.

+ –+ –

+ –

+ –

+ ––+

Метал

Рисунок 2. Подвійний електричний шар на поверхні металу.

Якщо електронам металів або напівпровідників надається ззовні додаткова

енергія, то вихід електронів із тіла стає можливим – виникає електронна емісія.

Джерелом електронів у електронновакуумних та іонних приладах є електрод,

називаємий катодом. В залежності від способу надання електроном додаткової

енергії розрізняють такі види електронної емісії:

– термоелектронна;

– фотоелектронна;

– вторинна;

– електростатична.

Управління рухом вільних електронів у більшості електронних приладів

здійснюється за допомогою електричних або магнітних полів.

У випадку, коли швидкість руху електрона була паралельна напряму

електронних силових ліній поля, то таке електричне поле називається продольним

електричним полем, а поле, яке направлене перпендикулярно вектору швидкості

електрона, називається поперечним електричним полем.

2

Контрольні запитання до теми

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕОРІЇ

1. З яких елементарних часток складається атом?

2. Який розряд має атом у нормальному стані?

3. З яких часток складається ядро атому?

4. Який заряд має ядро атому?

5. Як називається електрон, розташований на крайній орбіті атома?

6. Який електрон називається вільним?

7. Як розрізняються речовини за провідністю?

8. Що таке іон?

9. Який заряд має іон?

10. Що таке електронна емісія?

11. Яке електричне поле називається прокольним, а яке – поперечним?

12. Наведіть електричні діаграми провідників, діелектриків, напівпровідників.

3

ТЕМА: ЕЛЕКРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Напівпровідники (НП) належать до класу речовин, що мають тверду

кристалічну структуру і за провідністю (104 – 10–10 Сим/см) займають проміжне

місце між провідниками (104 – 106 Сим/см) та діелектриками 10–10 Сим/см та

менше).

При виготовленні НП приладів частіше використовують кремній (Si – має

робочу температуру до 140°С), германій (Ge – найбільша робоча температура 75°С),

арсенід галію (GaAs – працює при температурах до 350–400°С).

До НП також відносять селен, телур, деякі окисли, карбіди та сульфіди.

НП мають такі властивості:

1) негативний температурний коефіцієнт опору – із збільшенням температури

їх опір зменшується (у провідників – зростає);

2) додання домішок призводить до зниження питомого опору (у провідників -

до збільшення);

3) на електричну провідність впливають радіація, електромагнітне

випромінювання.

Процеси електропровідності НП і діелектриків подібні, але суттєво

відрізняються від електропровідності провідників.

Механізм електропровідності НП розглянемо на прикладі кристалічних ґраток

германію, що є елементом IV групи періодичної системи Менделєєва. Ґратки у

вигляді плоскісної структури зображено на рисунку 1.

Рисунок 1. Кристалічні ґратки германію.

4

Атоми германію розміщені у вузлах кристалічних ґраток, їх зв'язок з іншими

атомами здійснюється за допомогою чотирьох валентних електронів. Подвійні лінії

між вузлами вказують на ковалентний характер зв'язку, тобто кожна пара валентних

електронів належить водночас двом сусіднім атомам. При температурі абсолютного

нуля і при відсутності опромінення у НП відсутні рухомі носії і його електричний

опір великий (нескінченний).

За звичайних умов, внаслідок дії на речовину теплової енергії, деякі з

валентних електронів розривають ковалентні зв'язки – відбувається процес генерації

пар носіїв: електронів і дірок. При цьому дірка має позитивний заряд.

Якщо тепер помістити НП в електричне поле, виникне спрямований рух

зарядів – електричний струм. На відміну від провідників струм в НП забезпечується

носіями двох зарядів – позитивного та негативного .

Провідність чистого НП має назву власної, сам же НП відносять до і-типу.

Власна провідність звичайно невелика. Значно більшу провідність мають НП з

домішками, до того ж її характер залежить від виду домішок.

Домішка, що віддає вільні електрони, називається донорною. НП з

переважаючою кількістю вільних електронів має назву НП з електронною

провідністю, або НП n-типу.

Домішка, яка створює рухомі дірки, називається акцепторною, а НП з

переважною кількістю дірок – НП з дірковою провідністю, або р-типу.

Процес утворення пар електрон – дірка називається генерацією пар носіїв

заряду. Такий процес виникає, наприклад, під час нагрівання напівпровідника. Його

називають термогенерацією. Напівпровідники – це речовини, питома провідність

яких суттєво залежить від зовнішніх факторів.

Одночасно з генерацією перебігає зворотний процес рекомбінації електронів

та дірок, за якого електрони зони провідності переходять у валентну зону на вільні

енергетичні рівні, що відповідають діркам. При цьому електрони і дірки зникають

як вільні носії зарядів (електрони переходять у зв'язаний стан). У рівновазі обидва

процеси взаємно компенсують один одного і встановлюється рівномірна

концентрація електронів та дірок – рівноважний заряд.

Якщо до напівпровідника не прикладена електрична напруга, то електрони та

дірки здійснюють хаотичний тепловий рух і ніякого струму немає. Під дією різниці

5

потенціалів у напівпровіднику виникає електричне поле, яке прискорює рух

електронів та дірок і надає їм деякого спрямованого руху. Це і є струм провідності.

Рух носіїв заряду під дією електричного поля називають дрейфом, а струм

провідності – струмом дрейфу Ідр.

У напівпровідниках, крім дрейфового струму, обумовленого різницею

потенціалів, може бути ще й дифузійний струм, який з'являється при різниці

концентрацій носіїв.

Оскільки носії мають власну кінетичну енергію, то вони завжди

переміщуються з місця з більш високою концентрацією в місце з меншою

концентрацією, тобто прагнуть до рівноважної концентрації. Це зумовлює рух носіїв

зарядів. Струм, викликаний дифузійним рухом електронів і дірок, називають

дифузійним струмом (Ідиф).

6


ЕЛЕКРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАПІВПРОВІДНИКІВ

1. Який процес називається генерацією пар носіїв заряду?

2. Який процес називається рекомбінацією?

3. Чим створюється струм у напівпровідниках і у металах?

4. В наслідок чого відбувається дрейф і дифузія носіїв заряду?

5. Поясніть, що таке гісті напівпровідників?

6. Які домішки називаються акцепторними, а які – донорними?

7. Перелічить властивості напівпровідників

8. Назвіть напівпровідникові речовини.

9. Що являється основними носіями заряду у напівпровідниках електронної та

діркової провідності?

10. Яку структуру мають напівпровідники?

7

ТЕМА: КОНТАКТНІ ЯВИЩА У НАПІВПРОВІДНИКАХ

Електричні контакти поділяються на три основні групи: омічні, нелінійні та

інжекційні. Так, омічний контакт повинен мати дуже малий перехідний опір, не

змінювати форму передаваємого сигналу, мати лінійну ВАХ.

Нелінійні контакти використовуються для перетворення електричних

сигналів. Вони мають ріску нелінійну ВАХ.

Інжекційні контакти мають властивість направляти носії заряду тільки в один

бік.

Залежно від властивостей матеріалів, використовуваних для створення

електричного переходу, виділяють такі переходи: електронно-дірковий, електронно-

електронний, дірково-дірковий, гетерогенний, гомогенний, перехід Шотткі.

Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід) – це електричний перехід між

двома ділянками напівпровідника, одна з яких має електропровідність п-типу, а

друга – р-типу. Такий електричний перехід широко використовують для побудови

напівпровідникових приладів, а тому детально буде розглянуто далі.

Електронно-електронний перехід (п-п+-перехід) – це електричний перехід між

двома ділянками напівпровідника п-типу, що мають різні значення питомої

електричної провідності. Знаком (+) умовно позначають ділянку з вищою питомою

електропровідністю.

Дірково-дірковий перехід (р-р+-перехід) – це електричний перехід між двома

ділянками напівпровідника р-типу, що мають різні значення питомої електричної

провідності.

Гетерогенний перехід (гетероперехід) – це електричний перехід, утворений

внаслідок контакту напівпровідників з різною шириною забороненої зони.

Гомогенний перехід (гомоперехід) – це електричний перехід, утворений

внаслідок контакту напівпровідника з однаковою шириною забороненої зони.

Перехід Шотткі – це електричний перехід, утворений внаслідок контакту між

металом і напівпровідником.

За співвідношенням лінійних розмірів виділяють площинні та точкові

переходи.

8

Площинний перехід – це електричний перехід, у якому лінійні розміри, що

визначають його площу, значно більші за товщину.

Точковий перехід – це електричний перехід, усі розміри якого менші за

характеристичну довжину, що визначає фізичні процеси в переході та на ділянках,

що його оточують.

р-п переходом називається вузька зона на межі між шарами НП р- і п-типу, як

зображено на рисунку 1.

Рисунок 1. Утворення на межі між шарами р- та п-типу р-п переходу з

потенціальним бар'єром ϕк

Розглянемо поведінку р-п переходу при підімкненні до нього зовнішньої

напруги. Можливе пряме або зворотнє вмикання.

При зворотньому вмиканні, як показано на рисунку 2, до р-п переходу

прикладається зовнішня напруга Uзн, внаслідок чого до його внутрішнього

електричного поля додається зовнішнє електричне поле з напруженістю Езн.

У результаті поле в р-п переході зростає і дорівнює:

Ерез = Евн + Езн

9

Рисунок 2. Зворотнє вмикання р-п переходу.

Оскільки електричний опір р-п переходу дуже великий, практично вся напруга

Uзн прикладається до нього. Через перехід протікає зворотній струм.

дифдр iii −=зв

При прямому вмиканні, як показано на рисунку 3, за зазначеною полярністю

зовнішньої напруги зовнішнє електричне поле спрямоване назустріч внутрішньому і

результуюча напруженість зменшується

Ерез = Евн – Езн

Рисунок 3. Пряме вмикання р-п переходу.

У цьому випадку через перехід тече прямий струм

іпр = ідиф – ідр

Він обумовлюється дифузійною складовою струму, тобто залежить від

концентрації основних рухомих носіїв зарядів і є великим за величиною.

Оскільки у р-п переходу явно виражені нелінійні властивості, то залежність

струму, що через нього протікає, від прикладеної напруги ілюструють за допомогою

вольт-амперної характеристики (ВАХ). 10

Теоретична ВАХ р-п переходу показана на рисунку 4. Вона має пряму (1) та

зворотню (2, 3) гілки.

Рисунок 4. Теоретична ВАХ р-п переходу.

При зростанні від нуля зворотної напруги Uзв, швидкість руху неосновних

носіїв через перехід зростає. При Uзв = Un швидкість рухомих носіїв така, що їх

енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації – вибивання

додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбувається лавиноподібний зріст

зворотнього струму. Це явище називається електричним пробоєм р-п переходу, a Un

– напругою пробою. Якщо при цьому р-п перехід ефективно охолоджується, різке

зростання потужності, що в ньому виділяється (Uзв⋅Ізв), не призводить до суттєвих

змін температури структури і електричний пробій протікає при незмінній напрузі.

Це явище має зворотний характер. Тобто, при зниженні Uзв запірні властивості р-п

переходу відновлюються (гілка 2 ВАХ).

При неефективному тепловідведенні, температура структури зростає

(кількість рухомих носіїв при цьому збільшується за рахунок теплової генерації),

доки електричний пробій не переходить у тепловий, коли матеріал розплавляється і

р-п перехід руйнується. Тепловий пробій, зрозуміло, незворотний (гілка 3 ВАХ).

Температурні та частоті властивості р-п переходу.

Властивості р-п переходу суттєво залежать від температури оточуючого

середовища. При збільшенні температури збільшується генерація пар носіїв заряду –

11

електронів та дірок, тощо збільшується концентрація неосновних носіїв та

збільшується особиста провідність напівпровідника. Це ми бачимо на ВАХ.

50°

-20°

Iпр

Ізв

Uзв

Uпр

Рисунок 5. Вплив температури на ВАХ р-п переходу.

При збільшенні температури прямий та зворотній струми ростуть, а р-п

перехід втрачає своє свойство – односторонню властивість.

Властивості р-п переходу також залежать від частоти напруги. Це

пояснюється наявністю власної ємності між слоями напівпровідника з різними

типами провідності.

При зворотньому включенні р-п перехід представляє собою емність, величина

якої прямо пропорційна площі р-п переходу, концентрації носіїв заряду та

діелектричній провідності, матеріалу напівпровідника. Ця ємність називається

бар’єрною (СБ).

При збільшенні зворотної напруги ємність р-п переходу зменшується.

При прямому включенні, зокрема бар’єрної ємності, додається дифузійна

ємність (СД), але вона не впливає на роботу р-п переходу, так як зашунтована малим

прямим опором.

Практичне значення має бар’єрна ємність, яка при роботі на високих частотах

зменшує свій опір С

X C ⋅=

ω1 , при цьому зростає зворотній струм і р-п перехід

губить свою властивість односторонньої провідності.

Тунельний ефект 12

Тунельний ефект заключається в тому, що електрони, проходячи через

потенціальний бар’єр р-п переходу, не змінюють своєї енергії.

Для отримання тунельного ефекту використовують напівпровідникові

матеріали з великою кількістю домішок. Такі напівпровідники називають

виродженими, що забезпечує дуже малу ширину р-п переходу.

B

A

Іmsn

Іmax

U1

Iпр

Ізв

Uзв

U2

Uпр

Рисунок 6. ВАХ р-п переходу з тунельним ефектом.

Одностороння провідність р-п переходу при тунельному ефекті повністю

відсутня.

З ростом напруги від U1 до U2 струм зменшується, тому на цій ділянці р-п

перехід надає змінному струму від’ємний опір.

12

12

IIUU

IUR

−−

=∆−∆+

=−

Це показує, що від’ємний опір не споживає потужності змінного сигналу, а

віддає її в зовнішнє коло.

Гетеропереходи

Електронно-діркові переходи формуються у монокристалах, в однорідних

матеріалах (кремнію або германію та ін.). Напівпровідник обох ділянок (р- та п-) має

однакову ширину забороненої зони. Тому такі переходи ще називають

13

гомопереходами (від грец. гомо – рівний, однорідність).

Теоретичні та експериментальні дослідження дозволили виявити ряд корисних

властивостей переходів, які створюються між двома напівпровідниками з різною

шириною забороненої зони. Такі переходи називають гетеропереходами (від грец.

гетеро – інші, різнорідність).

Для формування гетеропереходів використовують напівпровідники з

подібними кристалічними структурами.

За допомогою гетеропереходів можна зменшити час переключення

напівпровідникових приладів.

Перехід Шоттки

Контакт металу та напівпровідника n-типу називається переходом Шоттки.

Рисунок 7. Контакт металу з напівпровідниками: метал-напівпровідник n-типу

за умови, що Аn < Ам.

Важливою особливістю переходу Шоттки є відсутність інжекції неосновних

носіїв заряду.

Ці переходи працюють тільки на основних носіях, звідси витікає, що у

напівпровідникових приладах з переходом Шоттки відсутня дифузійна ємність, що

значно підвищує швидкодійність приладів у режимі переключення.

Друга особливість переходу Шоттки є значно менша пряма напруга в

порівнянні з р-п переходом.

14

1 2

Iпр

Ізв

Uзв

Uпр

Рисунок 8. ВАХ переходу Шоттки (1) та р-п переходу (2).

Технологічні процеси формування електричних переходів

Рисунок 9. Структури електричних переходів: а – точковий; б – сплавний; в –

мікросішавний; г – дифузійний; д – мезаструктура; е – епітаксійний; є – планарно-

епітаксійний; ж — сформований іонною імплантацією; з – з бар'єром Шотткі.

15


КОНТАКТНІ ЯВИЩА У НАПІВПРОВІДНИКАХ

1. Що таке р-п перехід?

2. Що таке пряме і зворотне вмикання р-п переходу?

3. Поясніть поведінку р-п переходу при зворотному вмиканні?

4. Поясніть поведінку р-п переходу при прямому вмиканні?

5. Що таке ВАХ, який вигляд вона має для р-п переходу?

6. Вкажіть властивості р-п переходу, які використовуються при побудові р-п

приладів.

7. Поясніть частотні та температурні властивості р-п переходу.

8. Що таке тунельний ефект р-п переходу?

9. Наведіть ВАХ р-п переходу з тунельним ефектом.

10. Що таке перехід Шоттки?

16

ТЕМА: ОПТИЧНІ І ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА У НАПІВПРОВІДНИКАХ

До оптоелектронних напівпровідникових приладів належать такі

напівпровідникові прилади, які випромінюють або перетворюють електромагнітне

випромінювання, чутливі до цього випромінювання у видимій, інфрачервоній та

(або) ультрафіолетовій областях спектра, або використовують подібне

випромінювання для внутнішньої взаємодії його елементів.

Оптоелектронні напівпровідникові прилади об'єднують такі типи

напівпровідникових приладів: напівпровідникові випромінювачі, приймачі

випромінювання, оптрони (оптопари), оптоелектронні ІМС.

Випромінювачі (світлодіоди, електролюмінесцентні елементи, лазери) і

приймачі випромінювання (фоторезистори, діоди, транзистори, тиристори) знайшли

широке використання в дискретній та інтегральній схемотехніці, їх розвиток став

підґрунтям для створення принципово нових приладів – оптронів, які є базовими

компонентами оптоелектроніки,

Електромагнітне випромінювання оптичного діапазону розглядається двояко.

Для однієї групи явищ – це хвильовий процес із частотою коливань v або довжиною

хвилі λ, а для другої – потік елементарних частинок, які називають фотонами.

Оптичний діапазон спектра електромагнітних хвиль характеризується

довжинами хвиль від 1 мм до 1 нм (рисунок 1).

17

Рисунок 1. Шкала електромагнітних хвиль.

Характер взаємодії оптичного випромінювання з напівпровідниками може

бути різним. Він визначається властивостями матеріалу напівпровідника, довжиною

хвилі оптичного випромінювання і відповідно енергією фотонів. Взаємодію між

випромінюванням та речовиною, яка характеризується поглинанням фотонів,

внаслідок чого виникають електричні явища, називають фотоелектричним ефектом

(фотоефектом).

Виділяють дві групи оптоелектронних приладів.

Прилади першої групи сприймають променеву енергію і змінюють під її дією

свої параметри; їх називають приймачами оптичного випромінювання.

Залежно від характеру взаємодії оптичного випромінювання з

напівпровідником приймачі поділяють на теплові та фотоелектричні.

У фотоелектричних приймачах поглинання оптичної енергії сприяє

безпосередній генерації вільних носіїв заряду – електронів та дірок і (чи) переходу

їх на більш високі рівні енергії (світлова генерація).

Робота таких приймачів ґрунтується на внутрішньому фотоефекті –

18

перерозподілі електронів у твердих тілах за енергетичними станами у результаті

поглинання фотонів.

Іншу характерну групу оптоелектронних приладів складають випромінювачі

світла (джерела світла). Вони перетворюють електричну енергію в енергію

електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній та ультрафіолетовій

областях спектра.

Переважна більшість напівпровідникових випромінювачів може

випромінювати лише некогерентні коливання. До таких приладів належать

напівпровідникові випромінювачі видимої частини спектра - напівпровідникові

прилади відображення інформації (світлодіоди, електролюмінесцентні індикатори),

а також напівпровідникові випромінювачі інфрачервоної області спектра

(інфрачервоні випромінювальні діоди).

Найпоширенішими напівпровідниковими джерелами оптичного

випромінювання є електролюмінесцентні індикатори та світлодіоди.

Принцип дії таких напівпровідникових приладів грунтується на властивостях

деяких напівпровідників створювати електромагнітне нетеплове випромінювання,

тривалість якого значно перевищує період світлових коливань. Таке явище

називають люмінесценцією.

До фотоелектричних напівпровідникових приймачів випромінювання

належать оптоелєктронні прилади для перетворення енергії оптичного

випромінювання в електричну енергію. Коротка їх назва – фотоприймачі. У таких

приладах під дією оптичного віпромінювання змінюються електрофізичні

параметри фотоприймача внаслідок утворення додаткових вільних носіїв заряду в

напівпровіднику. Як уже відзначалося, такий процес називають внутрішнім

фотоефектом або фотоелектричним ефектом.

Спектр власного поглинання має чітко означену межу, яку називають

червоною межею фотоефекту. Її визначають співвідношенням .

Червона межа відповідає мінімальній енергії фотона, яка необхідна для переведення

електрона з валентної зони в зону провідності.

Для підвищення фотопровідності напівпровідника необхідно збільшувати

коефіцієнт поглинання, квантовий вихід, тривалість життя носіїв і зменшувати

коефіцієнт відбиття. У фотоприймачах залежно від структури напівпровідника

19

виникають два типи внутрішнього фотоефекту: ефект фотопровідності та

фотогальванічний ефект.

Ефект фотопровідності зумовлює створення нерівноважних надлишкових

носіїв. Результатом зміни їх концентрації є збільшення провідності напівпровідника.

Цей ефект використовують у фоторезисторах. У металах явище фотопровідності

майже не спостерігається, оскільки у них величезна концентрація електронів

провідності (приблизно 1022 см–3), яка вже не може помітно змінитися під дією


Фотогальванічний ефект виникає в напівпровідниках із внутрішнім

потенціальним бар'єром, який, як відомо, виникає в р-n-переходах, на контактах

метал - напівпровідник, в гетеропереходах. Цей ефект використовується в

фотодіодах, фототранзисторах, фототиристорах та інших фотоприймачах з

електричними переходами.

Фотогальванічний ефект визначається як виникнення фотоелектричної

рушійної сили (фото-ЕРС) або струму в електричному переході в результаті поділу

фотоносіїв електричним полем, зумовленим внутрішнім потенціальним бар'єром

(ϕк).

20


ОПТИЧНІ І ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА У НАПІВПРОВІДНИКАХ

1. Дайте визначення внутрішнього фотоефекту?

2. Робота яких приладів ґрунтується на внутрішньому фотоефекті?

3. У результаті яких процесів формується фото-ЕРС?

4. Чому під впливом світла зменшується опір напівпровідників?

5. Що таке фотогальванічний ефект?

6. Назвіть основні фізичні процеси, які пов’язані з оптичними та

фотоелектричними процесами у напівпровідниках.

7. Що таке червона межа фотопровідності?

8. Перелічіть основні види напівпровідникових випромінювачів.

9. Перелічіть основні види напівпровідникових приймачів випромінювання.

10. Які переваги оптоелектронних приладів? Обгрунтуйте їх.

21

ТЕМА: ПАСИВНІ ТА АКТИВНІ ЕЛЕМЕНТИ

Різноманітна радіоелектронна апаратура створюється за допомогою

електрично з'єднаних між собою пасивних та активних компонентів.

Пасивні компоненти (конденсатори, резистори, котушки індуктивності та

трансформатори), перемикачі, тумблери, прилади електричного з'єднання

використовують для розподілу електричної енергії в електричних колах, а також для

забезпечення необхідного режиму роботи активних приладів.

Особливістю пасивних компонентів є споживання та розсіювання потужності

Р. Електричні вузли і блоки, побудовані винятково на пасивних компонентах, не

підсилюють потужність. У таких колах потужність на виході Р завжди менша від

потужності на вході Рвх, а коефіцієнт передачі потужності:

1<=вх

вихp P

PK

Резистор – дискретний ЕРЕ на основі провідника з визначеним активним

опором. За характером зміни опору розрізняють резистори:

R1

R2

R3

– постійного опору

– змінного опору

– підстроювальні

Резистор постійного опору – це резистор, опір якого під час експлуатації та

регулювання не змінюється.

Резистор змінного опору – це резистор, опір якого регулюється під час

експлуатації.

22

Резистор підстроювальний – це резистор, опір якого має змінюватися при

заводських і регламентних регулюваннях, а під час експлуатації має бути

зафіксованим.

За матеріалом провідного елемента розрізняють:

Дротяні Недротяні

одношарові

багатошарові

тонкоплівкові

об’ємні

Резистори

Основні параметри резисторів:

1. Номінальний опір, який лежить у межах 100 – 107 Ом і обумовлений

стандартними значеннями рядів Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192.

2. Відхилення від номіналу в % (від 20 до 1 %)

3. Номінальна потужність

Найпоширенішими значеннями потужності є:

0,125; 0,25; 0,5; 1; 2 Вт

4. Температурний коефіцієнт опору (ТКО)

Позначення резисторів:

1-й елемент – буква, що характеризує вид резистора

С – постійного опору;

СП – змінного опору;

2-й елемент – цифра, що характеризує провідний матеріал:

1 – вуглецеві;

2 – металоокcидні;

3 – плівкові композиційні;

4 – об’ємні композиційні;

5 – дротяні;

6 – тонкошарові металізовані.

23

3-й елемент – цифролітерний код номера розробки.

Конденсатор – дискретний ЕРЕ, що складається із металевих обкладок,

розділених діелектриком і характеризується здатністю накопичувати на своїх

обкладках заряди під час прикладання напруги.

За характером зміни ємності розрізняють конденсатори:

С – постійної ємності

С

– змінної ємності

С

– підстроювальні

За типом діелектрика розрізняють конденсатори:

– повітряні

– слюдяні

– керамічні

– паперові

– металопаперові

– плівкові

– електролітичні.

основні параметри

1. Номінальна ємність, яка обумовлена стандартними рядами

Е6, Е12, Е24

2. Відхилення від номіналу (від 1 до 20 %)

3. Робоча номінальна напруга

4. Температурний коефіцієнт ємності (ТКЕ)

Система позначень конденсаторів

1-й елемент – буква, що характеризує вид конденсатора

24

К – постійної ємності;

КТ – змінної ємності.

2-й елемент – двозначне число, що вказує вид діелектрика

3-й елемент – цифровий код номеру розробки.

Котушки індуктивності – це намотуваний або друкований ЕРЕ з індуктивним

характером опору.

LXZRXZ LKLK ω==+= ;22

Котушки намотувані розрізняються на

– котушки індуктивності з осерецем

– котушки індуктивності без осередця

Основні параметри:

1. Номінальна індуктивність

2. Власна ємність С0 < 50 пф

3. Добротність Q = XL / R

4. Температурний коефіцієнт індуктивності (ТКІ).

Пласка друкована котушка має вигляд багатовиткової спиралі, виконаної

способом друку на діелектричній основі (платі).

Дросель ВЧ – це різновид котушки індуктивності з частотнороздільними

функціями: пропустити постійний струм завдяки малому опору котушки і перекрити

шлях змінному струму.

Конструктивно дросіль виконують з магнітним осередям.

Варіометр – це котушка індуктивності, індуктивність якої може змінюватися

користувачем під час експлуатації, переміщуючи одну котушку відносно другої.

Ферроваріометр – це котушка індуктивності, індуктивність якої змінюється

завдяки переміщенням магнітного осердя.

25

Трансформатор – це електромагнітний статичний (без рухомих частин)

пристрій, що перетворює змінну напругу без зміни потужності.

В основі дії трансформатора лежить явище електромагнітної індукції.

Основні елементи: магнітопровод (осердя) та розташовані на ньому обмотки,

індуктивно зв’язані між собою: первинна, приєднана до джерела живлення, та одна

або кілька вторинних, приєднаних до навантаження.

U1 W1 U2W2

T1

Магнітопровід виконаний з магнітопровідного матеріалу, як правило

замкнений вздовж шляху магнітного потоку, спільного для всіх обмоток

трансформатора.

Для зменшення втрат на вихрові струми магнітопровід виготовляють зі

стрічки або з ізольованих одна від одної пластин, товщина яких із зростанням

робочої частоти зменшується. трати на гістерезис характеризуються площею петлі

гістерезису матеріалу осердя.

Форму осердя виконують: броньові (а), стрижневі (б), та тороїдні (в).

а б в

Обмотки трансформатора, всередині яких розміщено магнітопровід,

виконують з мідного ізольованого дроту.

За функцій ними ознаками трансформатори поділяють на:

– силові (трансформатори живлення);

– сигнальні (низько– та радіочастотні);

26

– імпульсні (для перетворення напруги імпульсних сигналів різної форми);

– вимірювальні (для перетворення великих змінних струмів або напруг для їх

вимірювання).

Електронні прилади (активні компоненти) дозволяють здійснювати

випрямлення, підсилення, генерацію незатухаючих коливань (гармонічних,

імпульсних, пилкоподібних); перетворення частот та інші активні процеси, що

відбуваються завдяки керованому розподілу потужності зовнішнього джерела

живлення.

Це досягається реалізацією принципу реле за допомогою електронних

приладів.

Рисунок 1. Реалізація принципу реле за допомогою активних елементів.

27


ПАСИВНІ ТА АКТИВНІ ЕЛЕМЕНТИ

1. Яка принципова відмінність між активними та пасивними компонентами

радіоелектронних пристроїв?

2. Який принцип реалізується з підсиленням потужності за допомогоб

електронних приладів?

3. Перелічить пасивні елементи радіоелектроніки.

4. Наведіть УГП резисторів.

5. Перелічить основні параметри резисторів.

6. Які приведені резистори?

С2–5; С5–6; СП5–2.

7. Наведіть УГП конденсаторів

8. Перелічить основні параметри конденсаторів.

9. На які види підрозділяються котушки індуктивності.

10. Що таке варіометр та фероваріометр?

11. Для чого призначений трансформатор?

12. Яка обмотка трансформатора первинна, а яка вторинна?

13. На які види підрозділяються трансформатори за функційними ознаками?

28

ТЕМА: КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

Електронні прилади класифікують за їх призначенням, фізичними

властивостями, основними електричними параметрами, конструктивно-

технологічними ознаками, видом працюючого середовища тощо.

Залежно від виду сигналів і способу обробки інформації електронні прилади

поділяють на електроперетворювальні, електросвітлові, фотоелектричні,

термоелектричні, акустоелектричні та механоелектричні.

За допомогою електроперетворювальних приладів відбувається перетворення

електричних сигналів (підсилення, генерування, детектування і т. ін.). Електричні

сигнали в електросвітлових приладах перетворюються в оптичні (світлові); оптичні і

теплові сигнали у фото- і термоелектричних приладах відповідно – в електричні;

акустичні сигнали в акустоелектронних приладах – в електричні і навпаки.

Механоелектричні прилади перетворюють механічний сигнал в електричний.

Електроперетворювальні прилади складають найбільшу групу електронних

приладів. До них належать: різні типи напівпровідникових діодів, біполярні та

польові транзистори, тиристори; високовакуумні лампи (діоди, тріоди, тетроди,

пентоди тощо); газорозрядні прилади (стабілітрони, газотрони, тиратрони,

індикаторні панелі тощо). Електросвітловими приладами є світлодіоди,

люмінесцентні індикатори, лазери, електронно-променеві трубки;

фотоелектричними – фотодіоди, фототранзистори, фототиристори, сонячні батареї

тощо; термоелектричними – напівпровідникові терморезистори;

акустоелектричними – акустоелектричні підсилювачі, генератори, фільтри, лінії

затримки на поверхневих акустичних хвилях тощо.

За працюючим середовищем електронні прилади поділяють на вакуумні

(високовакуумні і газорозрядні), твердотільні (напівпровідникові дискретні

елементи , ІМС) і рідинні (хемотронні).

У високовакуумних приладах використовуються особливості руху і керування

електронами в колбах з вакуумом 10–6 мм рт. ст. і вище.

У газорозрядних приладах використовуються особливості руху і керування

іонами в середовищах, заповнених інертними газами з вакуумом 10–2 мм рт. ст.

29

У сучасній PEA як електронні прилади переважно застосовуються

твердотільні напівпровідникові дискретні компоненти та ІМС. До дискретних

напівпровідникових приладів належать: діоди (випрямні, високочастотні, імпульсні,

стабілітрони, стабістори, варикапи, діоди Шотткі); БТ (п-р-п і p-n-p типів);

тиристори (диністори, триністори, семістори, тріаки); ПТ (з керувальним р-п

переходом, із наведеним (індуктивним) каналом, із вбудованим каналом);

оптоелектронні прилади (світлодіоди, лазери, фотоприймачі, оптопари),

напівпровідникові резистори. Інтегральні мікросхеми являють собою закінчені

функціональні вузли, що дозволяють виконувати різні електроперетворювальні

процеси керуванням потужністю, яка надходить із зовнішнього джерела живлення у

навантаження. Інтегральні мікросхеми – це більш досконалий тип електронних

приладів, їх поділяють за функціональним призначенням (цифрові та аналогові); за

технологією виготовлення (напівпровідникові, тонкоплівкові, товстоплівкові,

гібридні, суміщені); за розмірами кристала (кількістю елементів: малі, середні,

великі, надвеликі ІМС).

30


КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

1. За якими ознаками класифікують електронні прилади?

2. Назвіть основні переваги і недоліки високо вакуумних, газорозрядних та

твердо тільних електронних приладів?

3. На які види підрозділяються ІМС за технологією виготовлення та

ступенями інтеграції?

4. Які електронні прилади складають групу електроперетворювальних

приладів?

5. Які елементи можна віднести до твердо тільних напівпровідникових

дискретних компонентів?

31

ТЕМА: НАПІВПРОВІДНИКОВІ РЕЗИСТОРИ (НР)

НП резистори мають два вихідних електроди. Вони поділяються на лінійні та

нелінійні.

У лінійних резисторів питомий електричний опір не залежить від прикладеної

напруги. їх умовне позначення наведене на рисунку 1, а. Вони виготовляються на

основі НП р- або п-типу і використовуються в інтегральних мікросхемах.

Рисунок 1. Умовні позначення лінійного резистора (а), варистора (б),

терморезистора (в), фоторезистора (г).

Нелінійні резистори (варистори) – це такі НП резистори, у яких питомий опір

залежить від прикладеної напруги. їх умовне позначення наведене на рисунку 1, б.

Варистор має нелінійну симетричну ВАХ, яку показано на рисунку 2.

Рисунок 2. ВАХ варистора.

Один з основних параметрів варистора- коефіцієнт нелінійності λ, який

визначається відношенням його статичного опору Rcm до динамічного опору:

constdIdU

IU

RRcm === :λ

32

де U, І – напруга на варисторі та струм через нього.

Зазвичай λ = 2 ÷ 6.

Варистори використовують як обмежувачі перенапруг для захисту НП

приладів.

Також існують НП резистори, опір яких різко залежить від температури

навколишнього середовища. Це – терморезистори. їх умовне позначення наведене

на рисунку 1, в.

Терморезистори поділяються на термістори, у яких із зростанням температури

опір зменшується, та позистори, у яких із зростанням температури опір зростає.

Залежність опору терморезистора від температури визначається

експоненційним законом: T

m ekR /β=

де k, β – коефіцієнти, залежні від конструктивних розмірів та концентрації

домішок у НП відповідно;

Т – абсолютна температура.

Терморезистори (термістори, позистори) використовуються як датчики

температури у системах регулювання температури, теплового захисту,

протипожежної сигналізації, для термостабілізації режимів роботи електронних

пристроїв.

Потужні позистори дозволяють забезпечувати захист електрообладнання від

струмів перевантаження (замість теплових реле).

У фоторезисторів величина опору залежить від ступеню освітлення. їх, в

основному, застосовують у пристроях автоматики.

33


НАПІВПРОВІДНИКОВІ РЕЗИСТОРИ (НР)

1. На які два види підрозділяються напівпровідникові резистори?

2. Наведіть УГП напівпровідникових резисторів.

3. Що таке варистор?

4. Що таке терморезистор?

5. Чим термістор відрізняється від позистора?

6. Наведіть ВАХ варистора?

7. Що таке коефіцієнт нелінійності варистора?

8. Де використовують варистори?

9. Де використовують терморезистори?

10. Від чого залежить величина опору у фото резистора?

11. Де використовуються фоторезистори?

34

ТЕМА: НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

Напівпровідникові діоди (НД) – це НП-прилади, виготовлені на основі

двошарових структур, які використовують властивості р-п переходу.

За функціональним призначенням діоди поділяються на:

1. Випрямні

2. Імпульсні

3. Детекторні

4. Високочастотні ⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

.

.

Позначення

5. Лавинно-пролітні діоди


6. Діоди Ганна


7. Стабілізатори


8. Варикапи


9. Тунельні


10. Фотодіоди


11. Світлодіоди


12. Діоди Шоттки


VD

VD

VD

VD

VD

VD

VD

35

Випрямні діоди

Випрямні діоди застосовують для перетворення змінного струму в

пульсуючий, у схемах керування та комутації – як обмежувачі паразитних викидів

напруг у колах з індуктивними елементами та як елементи розв'язки в електричних

колах тощо.

Структура та умовне позначення діода, а також ВАХ потужного випрямного

діода наведені на рисунку 1.

Рисунок 1. Структура та умовне позначення (а) і ВАХ (б) випрямного діода.

Ці діоди призначені для випрямлення змінного струму низької частоти.

Основними параметрами випрямних діодів є:

– граничний прямий струм діода Іпр – максимально допустиме середнє

значення струму через діод у прямому напрямку за визначених умов охолодження, у

сучасних діодів Іпр = (0,1 ÷ 2200) А;

– максимально допустимий прямий струм діода (імпульсний) Іпр mах, становить

(10 ÷ 50) Іпр;

– прямий спад напруги Uпр, тобто напруга на діоді при граничному прямому

струмі Іпр, для діодів з кремнію становить (0,6 ÷ 0,8) В;

– максимально допустима зворотня напруга Uзв max, що дорівнює максимально

допустимому амплітудному значенню зворотньої напруги, яке не призводить до

виходу з ладу приладу за визначених умов охолодження, Uзв max = (50 ÷ 3000) В.

36

Виготовляються випрямні діоди переважно із кремнію (у перспективі – із

арсеніду галію, як більш термостійкого).

Найпростіша схема випрямлення напруги змінного струму із застосуванням

випрямного діода наведена на рисунку 2.

Рисунок 2. Найпростіша схема випрямлення напруги.

Випрямлення змінного струму – один з поширених процесів в електротехніці

та радіоелектроніці. У випрямлячах енергія змінного струму перетворюється в

енергію постійного струму. Принцип випрямлення полягає у пропусканні змінного

струму через вентильні елементи електричного кола.

Протягом одного півперіоду (позитивного) напруга для діода є прямою,

проходить струм i(t), який спричиняє на резисторі навантаження Rн спад напруги

uн(t). Протягом наступного півперіоду (негативного) напруга для діода є зворотною,

струму майже немає і тому uн = 0.

Рисунок 3. Осцилограми напруг і струмів на елементах випрямляча:

а – вхідна напруга; б – струм діода і напруга на навантаженні.

Стабілітрони

37

НП діод, на якому напруга в зоні електричного пробою майже не залежить від

струму, називається стабілітроном. Як постає з ВАХ, наведеної на рисунку 4, в зоні

пробою напруга на стабілітроні майже не залежить від струму через нього Іcm.

Рисунок 4. Умовне позначення та ВАХ стабілітрона.

Стабілітрони використовують для стабілізації напруги. Щоб запобігти

тепловому пробою, їх конструкція забезпечує ефективне відведення тепла.

Основними параметрами стабілітрона є:

– напруга стабілізації Ucm, що становить від 1 до 1000 В;

– динамічний опір на ділянці стабілізації (характеризує зміну величини

напруги на приладі зі змінами струму крізь нього):

cm

cmd dI

dUR =

що складає від одиниць до десятків Ом;

– мінімальний струм стабілізації Іcm min – мінімальний струм, при якому прилад

гарантовано знаходиться в режимі стабілізації – складає одиниці міліампер;

– максимальний струм стабілізації Іст і<ц- максимально допустимий струм

через прилад, досягає (0,02 -*• 1,5) А.

Найпростіша схема стабілізації наведена на рисунку 5.

38

Рисунок 5. Схема елементарного стабілізатора напруги.

Для побудови стабілізатора напруги стабілітрон вмикають паралельно

навантаженню Rн. Послідовно із цими елементами вмикають обмежувальний

(баластний) резистор Rоб, опір якого має бути значно більший, ніж диференціальний

опір стабілітрона rz. Чим більше відношення Rоб / rz, тим краща стабілізація напруги.

Такий стабілізатор називають параметричним.

Рисунок 6. Принципова електрична схема параметричного стабілізатора.

Тунельні діоди

Тунельний діод – це НП прилад, у якого специфічний тунельний ефект

призводить до появи на ВАХ при прямій напрузі ділянки негативної провідності –

штрихова лінія на рисунку 7 (там же наведено умовне позначення приладу). Як

робоча використовується пряма гілка ВАХ.

39

Рисунок 7. Умовне позначення та ВАХ тунельного діода.

Основними параметрами тунельного діода є:

– струм піку Іп, що складає (0,1 ÷ 100) мА;

– відношення струму піку Іп до струму западини Із:

Тунельні діоди – швидкодіючі НП прилади, що застосовуються в генераторах

високочастотних коливань та швидкодіючих імпульсних перемикачах.

VD

R2

– ∼

R1

∼ Uвих

+

Рисунок 8. Схема включення тунельного діода.

Високочастотні діоди

Високочастотні діоди – це напівпровідникові прилади універсального

призначення. Вони об'єднують цілу групу НД, які використовуються для нелінійної

обробки високочастотних сигналів. їх застосовують як і випрямні діоди, але при

меншому електричному навантаженні, а також в детекторах для виділення 40

низькочастотного інформаційного сигналу з високочастотного модульованого

коливання; у змішувачах для зміни несучої частоти модульованого коливання; у

модуляторах для модуляції високочастотного коливання та в інших перетворювачах

електричних сигналів. Високочастотні діоди працюють у широкому діапазоні частот

(до кількох сотень мегагерців). Тому важливими стають ємнісні властивості НД.

Перетворення сигналів за допомогою високочастотних діодів відбувається

здебільшого за рахунок несиметрії ВАХ. Але із збільшенням частоти опір ємності

діода Сt0t зменшується, стає сумірним з опором у запірному напрямі (рисунок 9).

Тобто із зростанням частоти діоди втрачають вентильні якості (рисунок 10).

Рисунок 9. Високочастотна модель НД.

Рисунок 10. Криві струму через діод на частотах: а – низьких; б – середніх; в –

високих.

Одним з головних параметрів високочастотних діодів є статична ємність Сt0t

між зовнішніми виводами, яка визначається бар'єрною ємністю р-п-переходу.

Зазвичай Сt0t < 1 пФ.

За частотними властивостями високочастотні діоди поділяють на дві групи:

1) fmax ≤ 100 МГц; 2) 300 МГц ≤ fmax ≤ 1000 МГц. На вищих частотах використовують

надвисокочастотні діоди з дуже малим радіусом точкового контакту (2...3 мкм) та

41

особливою конструкцією.

Імпульсні діоди

Імпульсний діод – це НД, що має малу тривалість перехідних процесів в

імпульсних режимах роботи. Напівпровідникові діоди широко використовуються як

ключі, тобто як пристрої, що можуть знаходитися в одному з двох станів:

«Ввімкнено» (опір приладу дуже малий) та «Вимкнено» (опір приладу дуже

великий). Це дозволяє перемикати інформаційні сигнали в імпульсних та цифрових

системах. їх використовують для побудови діодно-резисторних та діодно-

транзисторних логічних схем.

Імпульсні діоди призначені здебільшого для роботи у швидкодіючих

імпульсних та цифрових схемах. Вони мають ряд конструктивно технологічних

особливостей, які забезпечують імпульсний режим роботи. У НД діють два фактори,

які визначають їхню інерційність. Це – бар'єрна ємність та накопичений заряд носіїв

поблизу переходу. Основними ознаками, що вирізняють імпульсні діоди, є малі

площа електричного переходу та тривалість життя нерівноважних носіїв заряду в

базі.

VD

Rн

Рисунок 11. Схема включення імпульсного діоду.

42

τвідн

Uвх

Uпр

t

Uзв

Іпрt

Ізв

І

Рисунок 11. Осцилограми вхідної напруги та струму імпульсного діода.

Основні параметри:

1. Час відновлення зворотного опору (τвідн).

2. Загальна ємність (СД).

3. Імпульсна пряма напруга Uпрі

4. Імпульсний прямий струм Іпрі

Варикапи

Варикапи – це НД, ємність якого керується зворотною напругою і який

призначений для застосування як елемент з електрично керованою ємністю, тобто як

електричний конденсатор, керований напругою.

Варикапи використовують у пристроях керування частотою коливального

контуру, параметричних схемах підсилення, ділення і множення частоти, схемах

частотної модуляції тощо. Тут перевагу мають варикапи на основі бар'єрної ємності

р-п-переходу. Вихідним матеріалом для варикапів є кремній та арсенід галію. Такі

43

діоди характеризуються залежністю ємності р-п-переходу від зворотної напруги –

вольт-фарадною характеристикою C = f (UR) (рисунок 12).

Рисунок 12. Вольт-фарадна характеристика варикапа.

Схему вмикання варикапа показано на рисунку 13.

Рисунок 13. Схема вмикання варикапа.

Керувальна напруга на варикап подається через багатоомний резистор R. Це

вмикає шунтування ємності варикапа малим внутрішнім опором джерела

керувальної напруги. Змінюючи значення керувальної напруги UK, змінюють

зворотну напругу на варикапі і відповідно його ємність. Паралельно варикапу

вмикається коливальний LC-контур, настроювання якого регулюють за допомогою

варикапа. Роздільний конденсатор Ср вмикають для запобігання шунтуванню

варикапа малим опором індуктивності для постійної напруги.

Як елемент радіоелектронного пристрою варикап визначається такими

параметрами: номінальною ємністю Сt0t – ємністю між виводами при номінальній

напрузі зміщення (зазвичай 4 В), добротністю Qeff, температурним коефіцієнтом

44

ємності α ct0t, граничною частотою fco, коефіцієнтом перекриття за ємністю Kc.

Випромінювальні діоди

Випромінювальні діоди – це напівпровідникові прилади з одним або

декількома електричними переходами, які безпосередньо перетворюють електричну

енергію в енергію некогерентних електромагнітних коливань оптичного діапазону.

Терміном «випромінювальні діоди» охоплено два класи джерел

випромінювання: діоди, що працюють в діапазоні видимої частини спектра

(світодіоди); діоди, що працюють в інфрачервоному діапазоні оптичного

випромінювання (інфрачервоні випромінювальні діоди). Структури, фізичні

процеси та принципи дії цих діодів не відрізняються.

Випромінювальний діод – основний і найуніверсальніший випромінювач

некогерентної оптоелектроніки. Це зумовлено: високим значенням ККД

перетворення електричної енергії в оптичну; відносно вузьким спектром

випромінювання (квазімонохроматичністю) для одного типу діодів, з одного боку, і

перекриттям майже всього оптичного діапазону випромінювання діодами різних

типів – з іншого; високою для некогерентного випромінювача направленістю

випромінювання; малим значенням прямого спаду напруги, що забезпечує

електричну сумісність з інтегральними схемами; високою швидкодією; малими

габаритами, технологічною сумісністю з мікроелект-ронними пристроями, високою

надійністю та довговічністю.

Фізичною основою роботи випромінювальних напівпровідникових діодів є

інжекційна електролюмінесценція. Для збудження електронів, їх подальшої

рекомбінації і випромінювання фотонів у діапазоні видимого випромінювання

(0,38...0,78 мкм) необхідна енергія ∆W = 1,5...З еВ, яку визначають з рівняння:

λchhvEФ ==

або

vEФ15101,41236 −⋅==

λ

де h – стала Планка, Дж·с;

45

v – частота, Гц;

с – швидкість світла, см·с–1;

λ – довжина хвилі, мкм.

Це свідчить про необхідність використання у світлодіодах напівпровідників з

такою шириною забороненої зони. Ширина забороненої зони германію становить

0,72 еВ, а кремнію – 1,12 еВ, що виключає можливість їх використання у

світлодіодах. Для створення світлодіодів використовують фосфід галію (GaP),

арсенід галію (GaAs), нітрид галію (GaN), карбід кремнію (SiC), а також деякі

сполуки галію, амонію, арсену (GaAlFs) або галію, арсену і фосфору (GaAsP) та ін.

Ці матеріали дозволяють значно зменшити інерційність і збільшити швидкодію

світлодіодів. Уведення в напівпровідники деяких домішок дозволяє одержати

світіння різного кольору.

У світлодіодах відбувається інжекційна електролюмінесценція, тобто

генерація оптичного випромінювання в р-п-переході. Вона об'єднує два процеси:

інжекцію носіїв і власну електролюмінесценцію. За допомогою інжекції

забезпечується створення нерівноважних носіїв заряду, для чого р-п-перехід діода

зміщується джерелом напруги у прямому напрямі. У такому режимі електрони з п-

області напівпровідника інжектують у р-область, де вони є неосновними носіями

заряду, а дірки – в зустрічному напрямі. Далі відбувається рекомбінація зайвих

неосновних носіїв заряду з електричними зарядами протилежного знака. Зазвичай

випромінювальною є область лише з одного боку р-п-переходу, для чого п-область

легують сильніше, ніж акцепторну р-область. Таким чином, у несиметричній

структурі інжекція є односторонньою - з n-емітера в р-базу – і випромінює базова

область. Структуру та схему вмикання світлодіода показано на рисунку 14.

46

Рисунок 14. Структура та схеми вмикання світлодіода

Основні характеристики світлодіода – це ВАХ IF = f (UF) ї яскравісна

характеристика В = f (IF).

У використанні світлодіодів важливими параметрами є: постійна пряма

напруга (2...3 В), максимально допустимий постійний прямий струм (десятки

міліамперів), максимально допустима постійна зворотна напруга (одиниці вольтів),

діапазон температур навколишнього середовища, який забезпечує нормальне

функціонування світлодіода (наприклад, –60...+70 єС).

Фотодіоди

Фотодіод (ФД) – це керований оптичним випромінюванням

напівпровідниковий прилад з двома виводами, робота якого ґрунтується на

використанні фотогальванічного ефекту в зворотно ввімкненому електричному

переході. Електричний перехід ФД працює у фотодіодному режимі. Зворотний

струм ФД залежить від освітленості. У PEA ФД використовують як швидкодіючі

чутливі елементи оптичних приймачів та приймальних модулів волоконно-оптичних

ліній зв'язку, як елементи оптопар, координатно-чутливі елементи автоматики,

первинні перетворювачі освітленності і т. ін.

Типову схему вмикання ФД показано на рисунку 15, а. У початковому стані,

коли світлового потоку немає (Ф = 0), через діод, увімкнений у зовнішнє джерело

живлення Е у зворотному напрямі, протікає незначний зворотний темновий струм

ІRTM в декілька мікроамперів.

47

Рисунок 15. Фотодіод: а – типова схема вмикання; б – осцилограма світлового

потоку.

З надходженням світлового потоку в ФД виникає фотострум Iф, пропорційний

потужності оптичного випромінювання.

Типову ВАХ ФД показано на рисунку 16, а, світлову – на рисунку 16, б.

Основні параметри: струмова чутливість Sф; сталі часу наростання τнр та спаду τсп

фотоструму або гранична частота модуляції світлового потоку fм; пороговий потік

або порогова потужність випромінювання; робоча довжина хвиль опромінення або

діапазон робочих хвиль.

Рисунок 16. Характеристики ФД: а – вольт-амперна; б – світлова.

Струмову чутливість ФД визначають за світловою характеристикою f(Ф)

(рисунок 16, б) як відношення:

ФIS Ф

ФД =

Фотодіоди характеризуються також номінальною робочою напругою,

темновим струмом IRTM (струмом, що проходить через зворотно зміщений перехід,

якщо світловий потік Ф = 0, та за номінальної робочої напруги) і максимальною

48

зворотною напругою URmax, за якої гарантується работа ФД.

Маркування діодів містить таку інформацію:

1 символ – літера або цифра, що вказує на матеріал напівпровідника (Г(1) -

германій; К(2) - кремній; А(3) - арсенід галію);

2 символ – літера, що визначає клас діода (Д - випростувальні, універсальні,

імпульсні діоди; В - варікапи; С - стабілітрони; Ц - випростувальні стовпи, блоки; А

- високочастотні діоди; С - стабілітрони; И - тунельні діоди; Ф - фотодіоди; Л -

світлодіоди);

3 символ – цифра, яка вказує на призначення: 1,2 - випростувальні; 3 -

магнетодіоди; 4 - універсальні тощо;

4, 5 символи – двозначне число, що вказує на порядковий номер розробки (в

стабілітронах - напругу стабілізації);

6 символ – літера, яка вказує на особливість параметрів. Наприклад: КД108Б -

кремнієвий діод випростувальний, номер розробки 08, група параметрів Б; 2С156А

кремнієвий стабілітрон, напруга стабілізації 5,6 В, група параметрів A.

49


НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

1. Наведіть УГП НД.

2. Поясніть принцип дії випрямного діода.

3. Наведіть схему і поясніть принцип дії однопівперіодного випрямача.

Наведіть осцилограми.

4. Перелічіть основні параметри випрямного діода.

5. Наведіть ВАХ стабілітрона.

6. Наведіть схему і поясніть принцип дії параметричного стабілізатора

напруги.

7. Яким параметрами визначають швидкодію схем з імпульсними діодами?

8. Які конструктивні особливості р-п переходу ВЧ-діодів?

9. Поясніть принцип дії варикапів та їх роботу у схемах керування частотою

коливань.

10. Наведіть вольт-фарадну характеристику.

11. Користуючись довідником, розшифруйте позначення наступних НД:

1Ф401Б; 2С447А; 3И201Л; КД503Б; АЛС313

12. Вкажіть основну характеристику варікана:

Iпр = f (Uпр); СБ = f (Uзв); СДИФ = f (Uпр); Uзв = f (СБ)

13. Поясніть, що таке вентильний та фотодіод ний режим фотодіода?

14. Наведіть світлову характеристику фотодіода при Rн = 0; Rн > 0.

15. У результаті яких процесів формується фото-ЕРС?

16. Дайте визначення внутрішнього фотоефекту.

17. Поясніть принцип роботи світлодіода.

50

ТЕМА: БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ (БТ)

Структури, режими та схеми вмикання біполярних транзисторів

Найпоширенішими транзисторами з двома p-n-переходами є біполярні

транзистори (БТ). Біполярний транзистор – це напівпровідниковий прилад з двома

взаємодіючими переходами та трьома або більше виводами, підсилювальні

властивості якого обумовлені явищами інжекції та екстракції неосновних носіїв

заряду. Робота БТ визначається рухом носіїв обох полярностей. Звідси і назва

«біполярний» (двополярний).

У таких транзисторах інжекцією, що забезпечується вхідним колом,

змінюється опір вихідного кола. Це дозволяє регулювати потужність, яка поступає

від зовнішнього джерела живлення в навантаження, тобто підсилювати потужність,

реалізувати принцип реле. Біполярний транзистор є активним приладом і

використовується для підсилення, генерування та інших перетворень електричних

сигналів.

Структури БТ, схематично зображені на рисунках 1, а, і 2, а, являють собою

пластину германію чи кремнію, або іншого напівпровідника, в якому створено три

ділянки з різною електропровідністю. Залежно від чергування ділянок різних типів

розрізняють транзистори типів п-р-п і р-п-р.

Рисунок 1. Біполярний транзистор типу п-р-п:

а – структура; б – умовне графічне зображення.

51

Рисунок 2. Біполярний транзистор типу р-п-р:

а – структура; б – умовне графічне зображення.

Одну з крайніх ділянок транзисторної структури легують сильніше. Це –

емітер транзистора. Емітерна ділянка БТ як і в діодах має високу питому електричну

провідність. її призначенням є інжекція носіїв заряду в базову ділянку. Другу

крайню ділянку називають колектором. Ця ділянка вирізняється низькою питомою

електропровідністю. Її призначенням є екстрагування носіїв заряду з базової області.

Спільну для емітерного та колекторного переходів ділянку напівпровідникового

приладу називають базою. У цю ділянку БТ інжектуються неосновні для неї носії

заряду. Концентрація домішок у базі завжди набагато менша, ніж у колекторі та

емітері. Найважливішою умовою роботи БТ є дуже мала ширина базової ділянки (не

більше одиниць мікрометрів). У транзисторах вона значно менша від дифузійної

довжини носіїв, завдяки чому основна частина неосновних носіїв, інжектованих

емітером, не рекомбінує в базі і досягає колектора.

Значення струмів і напруг бази, емітера і колектора позначають індексами

«В», «Е» і «С». Струми бази, емітера і колектора позначають відповідно ІВ, ІЕ, ІС, а

напруги між цими електродами – подвійними індексами UBE, UСВ, UСЕ. На умовному

графічному зображенні транзисторів типів п-р-п і р-п-р стрілка показує умовний (від

плюса до мінуса) напрям струму в емітері при прямій напрузі на емітерному

переході (рисунки 1, б і 2, б).

Фізичні процеси в біполярному транзисторі

Для розуміння принципу дії БТ як керувального елемента треба скористатися

52

аналізом процесів у p-n-переході. Розглянемо фізичні процеси, які відбуваються у

БТ типу п-р-п в активному режимі, коли його вмикають за схемою із СБ (рисунок 3).

Емітерний перехід зміщений у прямому напрямі, а колекторний – у зворотному.

Така комбінація двох p-n-переходів, які зміщені в протилежних напрямах, створює

великий градієнт концентрації неосновних носіїв у базовій ділянці. Унаслідок

процесу інжекції з емітера в базу поступає великий потік електронів. Концентрація

домішок у базі значно менша, ніж в емітері (емітерний перехід – несиметричний), а

тому потоком основних носіїв заряду з бази в емітер можна знехтувати. У базі біля

емітерного переходу накопичується велика кількість носіїв заряду (у цьому випадку

– електронів), біля колекторного переходу їх майже немає. Так формується великий

градієнт концентрації неосновних носіїв у базовій ділянці. Унаслідок теплового

руху в базі створюється дифузійний потік неосновних носіїв від емітерного

переходу, де їх надлишок, до колекторного переходу і далі в колектор. Частина

базової ділянки БТ, через яку відбувається розосередження або накопичення

неосновних носіїв заряду від емітерного до колекторного переходу, називають

активною частиною базової ділянки. Електричне поле об'ємного заряду

колекторного переходу сприяє переміщенню (екстракції) електронів через цей

перехід і вони попадають у прискорювальне поле зовнішнього джерела живлення.

Майже всі електрони, що інжектували в базу, досягають колектора. Це стає

можливим тільки за умови досить малої товщини бази та невеликої концентрації

дірок у ній. Лише незначна частина електронів рекомбінує в базі з дірками, що

викликає струм у базі ІВ. Цей струм є небажаним і навіть шкідливим.

Рисунок 3. Потоки електронів у транзисторі типу п-р-п в активному режимі.

53

Якщо підімкнути емітерне джерело живлення ЕЕ, як показано на рисунку 4

емітерний перехід зміщується у прямому напрямку, через нього тече струм ІЕ

визначеної величини.

Рисунок 4. Схема вмикання транзистора.

Оскільки зовнішню напругу прикладено до емітерного переходу у прямому

напрямку, електрони долають перехід і потрапляють у зону бази, де частково

рекомбінують з її дірками. Більшість електронів, які є неосновними носіями для

бази, завдяки дрейфу досягають зони колектора, де вони є основними носіями, і,

потрапляючи під дію поля ЕК утворюють колекторний струм ІК. Струм ІК практично

дорівнює ІЕ.

Рівняння для струмів транзистора в усталеному режимі має вигляд:

ІЕ = ІБ + ІКде ІБ – струм бази.

Зв'язок між струмом емітера і струмом колектора характеризується

коефіцієнтом передачі струму, що вказує, яка частка повного струму через

емітерний перехід досягає колектора:

E

K

II

=α

Для сучасних транзисторів α = 0,9 ÷ 0,995.

Транзистор р-п-р типу діє аналогічно, тільки струм через прилад зумовлений,

головним чином, дірками, а полярність підключення джерел живлення протилежна.

Основні схеми вмикання і статичні характеристики біполярного транзистора

Як елемент електричного кола, транзистор зазвичай використовується так, що

один з його електродів є вхідним, другий вихідним, а третій – спільний відносно

54

входу та виходу. У коло вхідного електроду вмикається джерело вхідного змінного

сигналу, який треба підсилити за потужністю, а у коло вихідного - навантаження, на

якому виділяється посилена потужність. Залежно від того, який електрод є спільним

для вхідного і вихідного кіл, як це показано на рисунку 5, розрізняють три схеми

вмикання транзисторів:

– зі спільною базою – з СБ;

– зі спільним емітером – з СЕ;

– зі спільним колектором – з СК.

Рисунок 5. Схеми вмикання транзистора: а – з СБ; б – з СЕ; в – з СК.

Слід зазначити, що основні схеми вмикання розглядаються для змінного

сигналу.

У схемі з СБ: ІЕ – вхідний струм, ІК – вихідний, передатність струму:

статична – E

K

dIdI

=α ; динамічна – .

У схемі з СЕ: ІБ – вхідний струм, ІК – вихідний, передатність струму:

статична – ααβ−

=−

==1:)(

:

ЕКЕ

ЕК

Б

Кст ІІІ

ІІІІ

;

динамічна – .

У схемі з СК: ІБ – вхідний струм, ІЕ – вихідний,

βα

+=−

= 11

1

Б

E

II

Для електричних схем на біполярних транзисторах існує чотири сім'ї

55

статичних характеристик («статичних» у тому розумінні, що для транзистора

задаються фіксовані значення напруги між його електродами або струму в одному з

кіл і знаходяться відповідні їм значення струму в другому колі або напруги між

іншими електродами у статичному режимі):

1) сім'я вхідних характеристик

(сім'я – тому, що для кожного конкретного значення Uвих маємо свою

залежність ); )( вхвх Ufі =

2) сім'я вихідних характеристик ;

3) сім'я характеристик керування (характеристик прямої передачі)

4) сім'я перехідних характеристик (характеристик зворотнього зв'язку)

Для кожної схеми вмикання з чотирьох сімей статичних характеристик

незалежними є лише дві. Для аналізу роботи транзистора та визначення його

параметрів використовують частіше перші дві.

Для схеми з СБ статичні характеристики, наведені на рисунку 6, описуються

залежностями:

вхідні – ;

вихідні – ;

Рисунок 6. ВАХ транзистора, увімкненого за схемою з СБ: а – вхідні; б –

вихідні.

56

З рисунку видно, що вихідні характеристики майже паралельні осі напруги.

Наявність невеликого нахилу (деяке збільшення ІК з ростом UKБ) пояснюється тим,

що колекторна напруга має вплив, хоча і слабкий, на рух носіїв до колекторного

переходу (в основному через звуження бази з ростом UKБ за рахунок розширення

колекторно-базового р-п переходу).

Вихідна характеристика описується досить точним співвідношенням:

K

KБKOEK r

UIII ++= α

де ІКО – зворотний струм колектора,

rК – нелінійний опір колекторного переходу.

Величина надто мала і стає відчутною лише у зоні, яка передує пробою через

K

KБ

rU

зменшення rК. Тому можна вважати KOEK III += α .

При невисоких температурах величиною ІКО також можна знехтувати і тоді

ІК ≈ αІЕ. Вхідні характеристики утворюють щільний пучок, що пояснюється слабким

впливом колекторної напруги на струм емітера. Тому при практичних розрахунках

достатньо мати не сім'ю, а одну вхідну характеристику для колекторної напруги,

звичайно, величиною 5 В (рис. 16, а).

Для схеми з СЕ статичні характеристики, які наведені на рисунку 17, є

залежностями:

вхідні – ;

вихідні –

57

Рисунок 17. ВАХ транзистора, увімкненого за схемою з СЕ: а – вхідні; б –

вихідні.

Вихідні характеристики схеми з СЕ досить точно можна описати виразом:

)1(110

αααα

−+

−+

−=

K

KKБK r

UIII

або ∗

∗ ++=К

KКБK r

UIII 0β ,

де )1(00 +=∗ βКК II

)1( +=∗

βК

К

rr

Вихідні характеристики схеми з СЕ мають більший нахил, ніж у схеми з ЗБ (це

пояснюється сильнішим впливом колекторної напруги на передатність струму – на

коефіцієнт β), вхідні характеристики більш лінійні.

Характеристики схеми з СК схожі з характеристиками схеми з ЗЕ, тому що в

обох схемах вхідним є струм бази, а вихідні струми (ІЕ або ІК) відрізняються

незначно. Тому при практичних розрахунках вихідні характеристики схеми з СЕ

можна використовувати як вихідні характеристики схеми з СК, якщо замінити струм

колектора на струм емітера.

Вирази для статичних характеристик схеми з СК мають такий вигляд:

вхідна – ;

вихідна –

Порівнюючи статичні характеристики біполярного транзистора з

характеристиками гіпотетичного підсилюючого елемента (рис. 18) ми бачимо, що

транзистор далеко не ідеальний елемент.

58

Рисунок 18. ВАХ гіпотетичного підсилюючого елемента

Його вхідні характеристики не є прямими, що починаються з нуля (крім того,

їх положення залежить від напруги в силовому колі транзистора), а є, швидше,

експонентами (які з допущеннями можна вважати за прямі, зміщені відносно нуля

на деяке значення напруги).

Вихідні характеристики не паралельні осі напруг (мають деякий нахил: у

схеми з СЕ більший, ніж у схеми з СБ), а також реально, нерівномірно

розміщуються залежно від рівномірних змін ІБ або ІЕ (наприклад, коефіцієнт β –

величина непостійна для різних значень ІЕ). Більш того, вихідні характеристики

схеми з СЕ починаються не від осі ІК, через що, при малих напругах UKE струм

ІК ≠ β ІБ і транзистор втрачає керованість.

Також слід зазначити, що, як і у всіх НП приладів, параметри транзистора (а

отже, і положення його характеристик) значною мірою залежать від температури.

Тим не менше, ці електронні прилади якнайширше використовуються для

реалізації конкретних підсилювачів, а їх неідеальність компенсується до необхідних

значень схемотехнічними прийомами.

Біполярний транзистор як активний чотириполюсник (h-параметри)

Статичні ВАХ використовуються при розрахунках електронних схем з

59

великими рівнями вхідних сигналів. Якщо рівень вхідного сигналу малий і

транзистор працює на лінійній ділянці ВАХ (робота в режимі малого сигналу), його

можна подати як активний лінійний елемент (чотириполюсник), зображений на

рисунку 19.

Рисунок 19. Активний лінійний чотириполюсник.

Величини U1, І1 є вхідними, а U2, І2 – вихідними. При аналізі роботи

чотириполюсника два параметри вибираються як незалежні змінні, а два інші є їх

лінійними функціями. У зв'язку з цим роботу чотириполюсника можна

охарактеризувати шістьма системами лінійних рівнянь, кожна з яких складається з

двох рівнянь.

Найчастіше використовується система рівнянь, у якій незалежними змінними

величинами є вхідний струм І1 та вихідна напруга U2:

⎩⎨⎧

==

),(),(

212

211

uifiuifu

(1)

Із системи рівнянь (1) можна знайти повні диференціали функцій u1 та і2:

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

+=

+=

22

21

1

22

22

11

1

11

duдuдidi

дiдidi

duдuдudi

дiдudu

(2)

Якщо замінити диференціали функцій незначними приростами амплітудних

значень струмів (di = ∆І) та напруг (du = ∆U) і ввести нові позначення для частинних

похідних, то система рівнянь (2) матиме вигляд:

⎩⎨⎧

∆+∆=∆∆+∆=∆

2221212

2121111

UhIhUUhIhU

(3)

Величини коефіцієнтів h визначаються при створенні режимів холостого ходу

60

на вході чотириполюсника і короткого замикання на виході за змінною складовою

струму.

З режиму холостого ходу на вході, коли І1 = 0, ∆І1 = 0, можуть бути визначені:

– коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою;

– вихідна провідність транзистора.

З режиму короткого замикання на виході, коли U2 = 0, можна визначити:

– коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою;

– коефіцієнт передачі за струмом.

Система рівнянь (3) називається системою h-параметрів. Значення h-

параметрів наводяться у довідникових матеріалах на транзистори. Залежно від

схеми вмикання транзистора h-параметри мають різні значення. Тому вони

позначаються відповідною літерою в індексі (наприклад, для схеми з СЕ – h11Э, з СБ

– h11Б, з СК – h11К і т.п.).

Перевагою системи h-параметрів є порівняна простота безпосереднього

вимірювання величин коефіцієнтів h (для отримання їх експериментальних значень).

Так, режим холостого ходу на вході транзистора (по змінному струмові)

здійснюється вмиканням у вхідне коло транзистора дроселя з великою

індуктивністю (ωL → 0), а режим короткого замикання – шляхом вмикання

паралельно вихідному колу конденсатора великої ємності ( 01→

Cω ). Схема

заміщення транзистора за h-параметрами зображена на рисунку 20.

Рисунок 20. Схема заміщення транзистора за h-параметрами.

61

При розрахунках також використовується фізична Т-подібна модель

транзистора.

На рисунку 21 зображена така модель транзистора для схеми з СЕ.

Рисунок 21. Т-подібна схема заміщення транзистора.

Тут прийняті наступні позначення:

rБ – об'ємний опір бази транзистора;

rЕ – прямий опір емітерного переходу;

rК(Е) – зворотний опір колекторного переходу;

β – коефіцієнт передачі за струмом.

Існує зв'язок між фізичними та h-параметрами. Так, для схеми з СЕ маємо

)1()(

12 += βEK

EE r

rh (4)

)1(1

)(22 += β

EKE r

h (5)

)1(11 ++= βEБE rrh (6)

β≈Eh21 (7)

При розрахунках пристроїв на біполярних транзисторах h-параметри

використовуються як основні.

Основні режими роботи біполярного транзистора

Незалежно від схеми вмикання біполярного транзистора він може працювати

у трьох основних режимах, що визначаються полярністю напруги на емітерному UE

62

та колекторному UK переходах:

1) режим відсічки (UE < 0, UK < 0);

2) активний режим (UE > 0, UK < 0);

3) режим насичення (UE > 0, UK > 0).

У режимі насичення, який настає при великому відпірному вхідному сигналі,

колекторний та емітерний переходи зміщені у прямому напрямку, транзистор

повністю увімкнений і його струм н

mp RUI 3= , тобто залежить тільки від опору

навантаження Rн та зовнішньої напруги UЗ (вихідний опір транзистора знижується

до дуже малої величини).

У режимі відсічки, який настає з поданням до вхідного кола транзистора

сигналу, що забезпечує повне запирання приладу, обидва переходи зміщені у

зворотному напрямі (закритий стан транзистора). При цьому у вихідному колі

протікає струм, що є зворотним струмом емі-терного та колекторного переходів, а

опір транзистора високий.

Активний режим є проміжним. В ньому емітерний перехід зміщений у

прямому напрямку, а колекторний – у зворотньому.

Транзистор у цьому режимі працює як підсилювач сигналу: пропорційним

змінам вхідного сигналу тут відповідають пропорційні зміни вихідного.

Режим роботи, у якому транзистор тривалий час знаходиться в режимах

відтинання або насичення, називається ключовим режимом.

Розглянемо наведені вище режими роботи транзистора на прикладі його

вмикання за схемою з СЕ, зображеною на рисунку 22.

Рисунок 22. Схема вмикання транзистора з СЕ.

63

Тут:

Б

БЕББ R

UUI −= (8)

БK II β= (9)

KKKKEвих RIEUU −== (10)

де RБ, RК – базове та колекторне навантаження,

UKE – напруга між колектором та емітером,

ЕК – напруга джерела живлення.

Рівняння (10) характеризує зв'язок вихідної напруги з вхідним струмом і

називається динамічною вихідною характеристикою транзистора або лінією

навантаження.

На сім'ї вихідних статичних характеристик побудуємо лінію навантаження, як

показано на рисунку 23.

Рисунок 23. Вихідна динамічна характеристика транзистора.

Для цього розглянемо режими холостого ходу (Х.Х.) та короткого замикання

(К.З.).

Для режиму Х.Х.:

якщо ІК= 0, то UKE = ЕК .

Для режиму К.З.:

якщо UКЕ = 0, то K

KK R

EI = .

64

Точки перетину лінії навантаження з будь-якою ВАХ називаються робочими

точками і відповідають певним значенням вихідного струму та вихідної напруги.

Якщо, наприклад, ІБ = ІБ0), то цьому відповідає точка Р, для якої Uвих = U0К, Івих = І0К.

Коли робоча точка лежить у межах відрізка аб, транзистор працює в

активному (підсилювальному) режимі, де змінам вхідного сигналу відповідають

пропорційні зміни вихідного.

Якщо робочу точку намагатися задати нижче точки б, транзистор переходить

до режиму відтинанння, якому відповідає власне точка б (транзистор тут відтинає

протікання струму у силовому колі).

Якщо ж робочу точку задавати вище точки а – транзистор знаходиться в

режимі насичення, якому і відповідає точка а.

Взагалі режимом насичення називають такий режим, коли подальшому

збільшенню вхідної дії не відповідає збільшення вихідної реакції, що досягла

деякого значення.

У режимі насичення через транзистор протікає струм

K

KKН R

EI = (11)

Для того щоб транзистор увійшов до режиму насичення, необхідно

забезпечити струм бази не менший за βБН

БН

ІI = .

Ступінь насичення характеризується коефіцієнтом насичення:

БН

Б

IIS = (S > 1, тому що тут ІБ > ІБН) (12)

В активному режимі S < 1.

До основних параметрів біполярних транзисторів належать:

– максимально допустимий струм колектора ІК, що становить (0,01 ÷ 100) А;

– допустима робоча напруга UKE, що становить (20 ÷ 1000) В;

– коефіцієнт передачі по струму β = 20 ÷ 50;

– допустима потужність на колекторі РК (якщо РК < 0,3 Вт, то маємо

транзистор малої потужності, якщо РК = 0,3 ÷ 1,5 Вт – середньої потужності, якщо

РК > 1,5 Вт – великої потужності). 65

Температурний дрейф характеристик біполярного транзистора

Електропровідність напівпровідників суттєво змінюється зі зміною

температури. Це викликає відповідне зміщення характеристик БТ.

Із підвищенням температури транзистора збільшується як прямий, так і

зворотний струм бази. Тому вхідні характеристики для вмикання транзистора за

схемою із СЕ зміщуються вліво, якщо значення струмів бази великі, і перетинаються

при малих ІВ. Вихідні характеристики для схеми із СЕ при ІВ = const зі зміною

температури мають дуже великий дрейф (рисунок 24).

Рисунок 24. Температурний дрейф вихідних характеристик БТ для вмикання

за схемою із СЕ.

Це необхідно враховувати у разі використання транзисторів в апаратурі. Слід

відзначити, що вихідні характеристики за умови UBE = const мають значно менший

температурний дрейф, оскільки більше відповідають режиму ІЕ = const. У зв'язку з

цим для температурної стабілізації робочого режиму транзистора напруга бази має

бути постійною, а отже, опір бази в колі бази – по можливості меншим.

Умикання БТ за схемою із СБ зумовлює значний дрейф вхідних

характеристик. З підвищенням температури вхідний струм ІЕ збільшується і вхідна

характеристика зміщується ліворуч (приблизно на 1...2 мВ/°С). Одночасно така

схема вмикання БТ забезпечує дуже невеликий температурний дрейф вихідних

характеристик, оскільки коефіцієнт передачі струму емітера а мало залежить від

температури: середній температурний коефіцієнт а становить 0,03...0,05 % на 1 °С, а

66

загальна зміна а в робочому діапазоні температур не перевищує 3...5 % на 1 °С.

Підсилення за допомогою біполярних транзисторів

Усі три схеми вмикання БТ (СЕ, СБ, СК) є підсилювачами потужності,

оскільки за допомогою БТ можна ефективно керувати потужністю, яка поступає від

джерела живлення в навантаження, тобто реалізувати принцип реле. Розглянемо це

на прикладі схеми із СЕ (рисунок 25).

Рисунок 25. Принципова електрична схема однокаскадного підсилювача на БТ

із СЕ.

Для нормальної роботи транзисторного підсилювача треба забезпечити

необхідний режим БТ за постійним струмом. Під час роботи в активному режимі на

емітерний перехід подається пряма напруга, а на колекторний – зворотна. За

допомогою подільників напруги R1 і R2 формується необхідна початкова напруга

UBЕ0. Розглянемо випадок, коли ця напруга невелика (0,1...0,2 В), тобто така, що

емітерний перехід майже закритий. Напруга колектора значно більша від напруги

бази, а тому колекторний перехід зміщений у зворотному напрямі.

Струм бази ІВ0, який у такій схемі керує струмом емітера, а відтак і струмом

колектора, в початковому стані зовсім малий, а отже, малим буде і початковий

струм колектора ІС0. Навантаження можна вмикати безпосередньо (послідовно) в

коло транзистора замість резистора RС або паралельно транзистору (рисунок 25).

Роздільні конденсатори С1 і С2 забезпечують передачу змінного інформаційного 67

сигналу, але відокремлюють джерело вхідного сигналу і навантаження від

підсилювача за постійним струмом. Це виключає вплив попереднього і подальшого

каскадів на початковий режим підсилювача за постійним струмом.

Ключовий режим біполярного транзистора

У сучасних радіоелектронних схемах все більшого застосування набувають

цифрові методи обробки інформації, за якими інформаційні сигнали є дискретними

квантовими рівнями напруги або струму. Для побудови цифрових схем

використовують електронні комутатори напруги (струму), які називають

електронними ключами. Як нелінійні прилади з керованим опором у таких ключах

застосовують НД, біполярні та польові транзистори, фоторезистори, тиристори,

оптрони, електронні лампи.

У дискретній та інтегральній цифровій схемотехніці широко застосовують

електронні ключі на БТ. Це обумовлено властивостями БТ змінювати під дією

керувального сигналу опір від дуже великого (сотні кілоомів) у режимі відсікання

до набагато меншого в активному режимі (одиниці кілоомів) та дуже малого в

режимі насичення (одиниці омів).

У цифрових та імпульсних схемах БТ виконують функцію безконтактного

вмикача-вимикача в послідовному колі з резистором RС і джерелом живлення ЕС.

Маючи малий опір у ввімкненому стані і великий опір у вимкненому, БТ

відповідає вимогам, які ставляться до ключових елементів. Для роботи в ключовому

режимі виготовляються спеціальні ключові транзистори.

Схему транзисторного ключа показано на рисунку 26.

68

Рисунок 26. Схема ключа на БТ із СЕ.

Особливістю ключових транзисторів є строга залежність струму бази від

напруги UВЕ, що обумовлено їхньою роботою тільки в двох режимах: відсікання та

насичення. Щоб запобігти вмиканню транзистора небажаними випадковими

сигналами, у початковому стані емітерний перехід закривається за допомогою

додаткового джерела живлення ЕВ.

У ключових схемах транзистор працює в режимі великого сигналу і його

властивості можна описати нелінійною інжекційною моделью Еберса - Молла. Таку

модель використовують переважно у машинних методах проектування.

Розглянемо перехідні процеси в БТ як в нелінійному елементі за

графоаналітичним методом.

Вхідну характеристику БТ )( BEB UfI = , якщо UCЕ = const, та сім'ю вихідних

характеристик , якщо І)( CEC UfI = В = const, показано на рисунку 27.

69

Рисунок 27. Аналіз ключової схеми графоаналітичним методом: а – вхідні

характеристики; б – вихідні характеристики.

Якщо немає вхідного імпульсного сигналу, транзистор знаходиться в режимі

відсікання; стан схеми визначається точкою спокою А. У колі колектора проходить

зворотний струм ІСЕ0, напруга на виході ключа:

UCЕ = ЕС – RC ІСЕ0 ≈ ЕС

Джерело живлення ЕВ можна не застосовувати, якщо режим відсікання

забезпечується низьким рівнем вхідного сигналу і умови застосування не

порушуються за максимальної температури навколишнього середовища. У цьому

випадку ключі мають безпосередній (гальванічний) зв'язок між собою (немає

роздільного конденсатора С). У цифровій схемотехніці низький рівень

інформаційного сигналу позначають індексом «0» (U0, І0), а високий-«1» (U1, І1).

Тому в режимі відсікання позначають (U0вх, І0), a U1

вих = U1СЕ ≈ ЕС.

У такому режимі інжекції неосновних носіїв через емітерний перехід майже

немає, а заряд бази Q = 0.

Щоб відкрити ключ, на його вхід треба подати високий рівень вхідного

сигналу Uвx > ЕВ. Транзистор при цьому може знаходитися в активному режимі або

в режимі насичення.

Щоб перевести транзистор у режим насичення (у замкнений або відкритий

стан), необхідно забезпечити струм бази не менший за ІВsat, (рисунок 27, б, точка Б).

Параметр ІВsat називають струмом бази на межі насичення. Амплітуда вхідного

сигналу:

U1вх = ЕВ + UВЕ

Точка Б відповідає режиму насичення. Струм колектора досягає

максимального значення – струму насичення ІСsat а напруга на колекторі

зменшується до:

U0CЕ = UCЕsat = ЕС – ІСsat RC ≈ 0

Цю напругу називають залишковою. Вона небажана, а тому необхідно, щоб їх

значення було якомога меншим. У такому стані напруга на базі більша від напруги

на колекторі: напруга колекторного переходу стає прямою і він відкривається.

Починається інжекція носіїв з колектора в базу. Таким чином, у разі використання

70

транзистора типу п-р-п в режимі насичення електрони інжектують в базу з обох

переходів – емітерного і колекторного.

У режимі насичення з подальшим збільшенням амплітуди вхідного сигналу

(збільшенням струму бази І′В > ІВsat) струм колектора майже не зростає (рисунок 27).

Для запобігання впливу випадкових сигналів (завад) у режимі насичення значення

керувальних імпульсів U′вх вибирають такими, щоб забезпечити ІВ > ІВsat. Для

кількісної оцінки глибини насичення використовують параметр, який називається

коефіцієнтом насичення:

Bsat

B

II 'Ksat =

звідки умовою насичення є:

Кsat > 1. Амплітуду вихідного сигналу визначають перепадом напруг колектора у

вимкнутому (закритому) і ввімкнутому (відкритому) станах:

CCsatCEвих EUUU ≈−=

Режим підсилення (активний режим) у цьому випадку є короткочасним і

реалізується під час переходу транзистора з режиму відсікання в режим насичення і

у зворотному напрямі.

Особливістю ключового режиму (режиму відсікання і режиму насичення) є

некерованість колекторного струму транзистора.

Фототранзистори

Біполярний фототранзистор – це фототранзистор, фоточутливий елемент

якого містить структуру БТ. Структуру та схему вмикання біполярного

фототранзистора показано на рисунку 28, а, сім'ю вихідних характеристик – на

рисунку 28, в. Він складається з емітерної області р+-типу 1, області бази п-типу 2,

більша частина якої пасивна і відкрита світловому потоку Ф, і широкої колекторної

області р-типу 3. Пасивна область бази розташована ліворуч від штрихпунктирної

лінії. Біполярний фототранзистор вмикається зазвичай за схемою із СЕ і резистором

навантаження Rн, у колекторному колі (рис. 28, а). Його вхідним інформаційним

71

сигналом є модульований світловий потік, а вихідним – зміна напруги на колекторі.

Таке вмикання, як і в усіх розглянутих схемах з активними елементами, дозволяє

керуванням провідністю реалізувати принцип реле.

Рисунок 28. Біполярний фототранзистор: а – структура та схема вмикання; б –

еквівалентна схема; в – сім'я вихідних характеристик.

Розглянемо роботу біполярного фототранзистора в схемі з розірваним колом

бази. Оптичний сигнал генерує надлишкові носії в пасивній області бази і

колекторному переході. Як і в описаних вище електричних переходах потенціальний

бар'єр колекторного переходу розділяє носії. Неосновні носії створюють фотострум

переходу база – колектор Іф.В, основні носії накопичуються у базі і дещо

компенсують заряд нерухомих іонів домішок на межі емітерного переходу.

Потенціальний бар'єр емітерного переходу зменшується, підсилюючи цим самим

інжекцію носіїв з емітера в базу. Ці носії, як і у звичайному БТ, дифундують через

базу до колекторного переходу і втягуються (екстрагують) його електричним полем

в область колектора. Струм інжектованих носіїв (дифузійний струм), а відповідно і

створений ними колекторний струм в багато разів перевищують фотострум носіїв,

які виникли через оптичне опромінення.

Загальний струм колектора – це сума фотоструму Іф.В та струму ІС

(інжектованих емітером дірок, які екстрагували в область колектора). Коефіцієнт

підсилення фотоструму за умови, що Rн = 0,

1)(

.

. +=+

=ВФ

CВФIФ I

IIG

де β – статичний коефіцієнт передачі за струмом транзистора в схемі із СЕ.

72

Підсилений в GІф разів фотострум створює на резисторі навантаження Rн спад

напруги так само, як показано в схемі на рисунку 29.

Рисунок 29. Еквівалентна схема колекторного кола БТ.

Проведений аналіз показує, що біполярний фототранзистор можна зобразити у

вигляді еквівалентного фотодіода VD та підсилювального транзистора VT (рисунок

28, б). Еквівалентний діод створюється пасивною базою та областю колектора

ліворуч від штрихпунктирної лінії на рисунку 28, а. Структура звичайного

підсилювального транзистора розташована праворуч від цієї лінії. Транзистор

збільшує чутливість еквівалентного діода в (β + 1) раз.

Вивід бази інколи використовується для подачі зміщення робочої точки,

забезпечення її температурної стабілізації або подачі додаткового електричного

сигналу.

Польовий фототранзистор з керувальним р-п-переходом – це фототранзистор,

фоточутливий елемент якого має структуру ПТ. Його схему вмикання та структуру

показано на рисунку 30, а, а еквівалентну схему – на рисунку 30, б.

73

Рисунок 30. Польовий фототранзистор з керувальним р-п-преходом: а –

структура і схема вмикання; б – еквівалентна схема

Світловий потік через прозорий отвір 7 в діелектрику 2 опромінює канал и-

типу 4. Область витоку 3 та стоку 6 мають провідність п+-типу. Прилад

підключається за допомогою виводів 7. У коло затвора G вмикається резистор RG, а

в коло стоку D — резистор Rн.

Знову відзначимо аналогію зі схемою рисунку 29. Але на відміну від

розглянутих вище варіантів необхідно звернути увагу на те, що оскільки немає

вхідного сигналу, то ПТ з керувальним р-п-переходом має максимальний переріз

каналу, а отже, – і максимальну провідність. Якщо ввімкнено зовнішнє джерело

живлення ED, в колі стоку буде протікати максимальний струм ІDmax. Напруга на

стоці через спад напруги на резисторі навантаження буде мінімальною:

íDDDS RIEU maxmin −=

З подачею світлового потоку в області затвора G та на р-п-переході затвор –

канал генеруються нерівноважні носії. Потенціальний бар'єр цього переходу

розділяє носії і створює в колі затвора фотострум Іф, який на резисторі RG формує

спад напруги UGS = Iф RG. Він буде тим більшим, чим інтенсивніший світловий

потік. Це викликає збільшення негативної напруги на затворі, тобто збільшення

зворотної напруги на керувальному р-п-переході транзистора. Переріз каналу

зменшується, провідність спадає, струм стоку зменшується (рисунок 31).

Рисунок 31. Статичні характеристики ПТ з керувальним р-п-переходом: а –

стокзатворна; б – сім'я вихідних характеристик.

74

Спад напруги на RH зменшується, а напруга на виході збільшується і може

досягти значення ED, якщо потужність світлового потоку забезпечить появу

фотоструму такої величини, коли напруга на затворі за рахунок спаду напруги на

RG, зумовленого фотострумом, досягне значення напруги відсікання (UGS(off)).

Фототранзистор розглянутого типу можна представити як ФД (структура затвор -

канал) та як підсилювальний ПТ з керувальним р-п-переходом (рисунок 30, б).

75


БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

1. Наведіть структури та УГП біполярних транзисторів.

2. Як пояснити назву транзистора «біполярний».

3. Наведіть схеми включення транзисторів.

4. Як називаються статичні характеристики біполярних транзисторів, записані

у вигляді:

IБ = f (UБе) при UКе-const

Iе = f (UеБ) при UКБ-const

IК = f (UКБ) при Iе-const

5. Який з h-параметрів характеризує вхідний опір

h21Б; h21е; h11Б; h22е; h11е

6. Визначте β, якщо h21Б= 0,95

7. Що таке гранична частота f Грβ

8. Перелічіть режими роботи біполярних транзисторів, від чого вони

залежать?

9. Що таке ключовий режим роботи біполярних транзисторів?

10. Перелічіть основні параметри підсилювального каскаду на біполярних

транзисторах.

11. Від чого залежить швидкодія ключа?

12. Як будується динамічна характеристика біполярних транзисторів?

13. Які процеси забезпечують підсилення фотоструму у біполярних

транзисторах?

76

ТЕМА: ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ (ПТ)

Загальні відомості

До класу уніполярних відносять транзистори, принцип дії яких ґрунтується на

використанні носіїв заряду лише одного знаку (електронів або дірок). Керування

струмом в силовому колі уніполярних транзисторів здійснюється зміною

провідності каналу, через який протікає струм під впливом електричного поля. Тому

уніполярні транзистори ще називаються польовими (ПТ).

Розрізняють ПТ з керуючим р-п переходом (з затвором у вигляді р-п

переходу) та з ізольованим затвором. Останні, в свою чергу, поділяються на ПТ із

вбудованим каналом та індукованим каналом. ПТ з ізольованим затвором належать

до різновиду МДН-транзисторів: конструкція «метал - діелектрик - НП». Коли в

якості діелектрика використовують оксид кремнію: конструкція «метал - оксид -

НП», ПТ називають відповідно МОН-транзистором.

Характерною рисою ПТ є великий вхідний опір (108 – 1014 Ом).

Широкого розповсюдження ПТ набули завдяки високій технологічності у

виробництві, стабільності характеристик і невеликій вартості за масового

виробництва.

Польові транзистори з керуючим р-п переходом

Конструкція та принцип дії ПТ з керуючим р-п переходом пояснюється на

моделі, наведеній на рисунку 1. У такого ПТ канал протікання струму являє собою

шар НП, наприклад, п-типу, вміщений між двома р-п переходами. Канал має

контакти із зовнішніми електродами. Електрод, від якого починають рух носії

заряду (у даному разі – електрони), називається витоком В, а електрод, до якого

вони рухаються — стоком С.

77

Рисунок 1 – ПТ з керуючим р-п переходом.

НП шари р-типу, що створюють із п-шаром два р-п переходи, виконані з більш

високою концентрацією основних носіїв, ніж п-шар. Обидва р-шари електрично

з'єднані і мають зовнішній електрод, що називається затвором 3.

Вихідна напруга підмикається між стоком і витоком (UCB), а вхідна напруга

(керуюча) – між витоком та затвором (UЗB), причому на затвор подається зворотна

щодо витоку напруга.

Принцип дії такого ПТ полягає у тому, що зі змінами вхідної напруги UЗВ

змінюється ширина р-п переходів, які являють собою ділянки НП, збіднені носіями

зарядів (запірний шар). Оскільки р-шар має більшу концентрацію домішки, зміна

ширини р-п переходів відбувається головним чином за рахунок більш високоомного

п-шару. При цьому змінюється переріз струмопровідного каналу, а отже і його

провідність і відповідно вихідний струм ІС приладу.

Особливість цього транзистора полягає у тому, що на провідність каналу

впливає як керуюча напруга UЗВ, так і напруга UCB. Вплив напруг на провідність

каналу ілюструє рисунок 2, де заради спрощення не показані ділянки п-шару, що

розміщені поза р-п переходами.

На рисунку 2, а зовнішню напругу прикладено лише у вхідному колі

транзистора. Зміна напруги призводить до зміни провідності каналу за рахунок

зміни на однакову величину його перерізу вздовж усього каналу. Та оскільки UСВ=0,

вихідний струм ІС =0.

78

Рисунок 2 – Вплив напруг на провідність каналу ПТ з керуючим р-п

переходом: а) при UCB = 0; б) при UЗB = 0.

Рисунок 2, б ілюструє зміну перерізу каналу під впливом лише напруги UCB

(UЗB = 0). Коли UCB > 0, через канал протікає струм. Внаслідок цього виникає спад

напруги, що зростає у напрямку стоку. Сумарний спад напруги ділянки стік-витік

дорівнює UCB. Відповідно, потенціали точок каналу вздовж нього неоднакові:

зростають у напрямку стоку від нуля до UCB. Потенціал точок р-області відносно

витоку визначається потенціалом затвора відносно витоку і у даному випадку

дорівнює нулю. У зв'язку із зазначеним зворотна напруга, прикладена до р-п

переходів, зростає у напрямку витік-стік і р-п переходи розширюються у напрямку

стоку. Це явище призводить до зменшення перерізу каналу. Підвищення напруги

UCB викликає збільшення спаду напруги у каналі і подальше зменшення його

перерізу, а отже, і провідності каналу. При певному значенні UCB межі обох р-п

переходів змикаються і опір каналу стає великим.

Очевидно, що за сумарної дії UCB та UЗB змикання р-п переходів відбувається

швидше. При цьому у приладі діє автоматична система керування, що забезпечує

протікання фіксованого значення ІС – струм через канал не залежить від UCB

(відповідає режиму насичення).

Аналогічно працюють транзистори з каналом р-типу, лише полярність напруг

повинна бути зворотною.

На рисунку 3 наведені умовні позначення ПТ з керуючим р-п переходом.

79

Рисунок 3 – Умовні позначення ПТ з керуючим р-п переходом: а) з каналом п-

типу, б) з каналом р-типу.

Роботу зазначених транзисторів визначають сім'ї ВАХ двох видів: стокові і

стік-затворні.

Стокові (вихідні) характеристики, наведені на рисунку 4, показують

залежність струму стоку від напруги стік-витік за фіксованої напруги затвор-витік:

На ділянці 1 (0а) маємо велику залежність ІС від вихідної напруги UCB. Це

неробоча ділянка для випадку використання приладу у якості підсилюючого

елементу. Тут його використовують як керований резистор.

На ділянці 2 (ав) залежність вихідного струму від вихідної напруги мала –

маємо насичення. Це робоча ділянка у режимі підсилення.

Ділянка 3 відповідає пробою приладу.

Рисунок 4 – Стокові ВАХ ПТ з керуючим р-п переходом.

У точці а відбувається змикання р-п переходів (напруга UCBa). Причому, чим

вища напруга UЗB (абсолютна величина), тим швидше змикаються р-п переходи.

Напруга на затворі, за якою струм вихідного кола ІС = 0, називається напругою

запирання або напругою відтинання UЗВ 0). Числове значення UЗВ 0 дорівнює UCB у

точці а ВАХ транзистора.

Стік-затворні (вхідні) ВАХ відображають залежність струму стоку від напруги

затвор-витік за фіксованої напруги стік-витік:

80

Вхідна ВАХ зображена на рисунку 5.

Рисунок 5 – Вхідна ВАХ ПТ з керуючим р-п переходом

Параметри ПТ з керуючим р-п переходом:

– максимальне значення струму стоку ІСmах (відповідає його значенню у точці

в на вихідних ВАХ при UЗB = 0), сягає від десятків міліампер до одного ампера;

– максимальне значення напруги стік-витік UCBmах (задають у 1,2+1,5 рази

меншим за напругу пробою ділянки стік-витік при UЗB = 0), становить до 100 В;

– напруга відтинання UЗB 0;

– внутрішній опір ;

– крутизна стік-затворної характеристики ;

– вхідний опір 3dI

dUr ЗВвх = , становить десятки мегаом.

СІТ-транзистори

У середині 70-х років минулого століття багаторічні дослідження (Японія,

США) завершились створенням ПТ із статичною індукцією: СІТ-транзистора. Цей

транзистор, будучи по суті ПТ з керуючим р-п переходом, є твердотільним аналогом

електронновакуумної лампи – тріода, у якої вихідна характеристика при нульовому

значенні сигналу керування за формою нагадує характеристику р-п переходу. З

81

ростом від'ємного значення напруги керування характеристики зсуваються вправо.

На відміну від площинної горизонтальної конструкції ПТ з керуючим р-п

переходом, СІТ-транзистор має вертикальну конструкцію. Наприклад, р-шари

затвору вводяться в п-шар вертикально. Таке виконання забезпечує приладу роботу

при напругах до 2000 В й частотах до 500 кГц. А розміщення на одному кристалі

великого числа елементарних транзисторів з наступним їх паралельним з'єднанням

забезпечує робочі струми до 500 А – це вже є силовим електронним приладом.

Крім роботи в режимі ПТ, цей транзистор може працювати і в режимі

біполярного транзистора, коли на затвор подається додатне зміщення. При цьому

падіння напруги на приладі у відкритому стані зменшується.

Умовне позначення СІТ-транзистора наведене на рисунку 6.

Рисунок 6 – Умовне позначення СІТ-транзистора.

МДН-транзистори

На відміну від ПТ з керуючим р-п переходом, у яких затвор має безпосередній

електричний контакт із суміжною областю струмопровідно-го каналу, у МДН-

транзисторів затвор, що являє собою, наприклад, алюмінієву плівку (А1),

ізольований від зазначеної області шаром діелектрика. Тому МДН-транзистори

відносять до класу ПТ з ізольованим затвором. Наявність діелектрика забезпечує

високий вхідний опір цих транзисторів (1012 ÷ 1014Ом).

Частіше у якості діелектрика використовують оксид кремнію (SiO2) і тоді ПТ

називають МОН-транзистором (метал - окисид - НП). Такі транзистори бувають із

вбудованим і індукованим каналами. Останні більш розповсюджені.

Конструкція МОН-транзистора з індукованим каналом п-типу зображена на

рисунку 7.

82

Рисунок 7 – Конструкція МОН-транзистора з індукованим каналом

При UЗВ = 0 або від'ємному, ІС = 0 (два р-п переходи увімкнені назустріч). При

позитивній напрузі на затворі відносно витоку поверхневий шар на межі НП з

діелектриком збагачується електронами, які притягуються з глибини р-шару (де

вони є завдяки тепловій генерації вільних носіїв заряду) до затвору: виникає явище

інверсії НП у примежовій зоні, коли р-шар стає п-шаром. Таким чином, між зонами

n-шарів наводиться (індукується) канал, по якому може протікати струм від стоку до

витоку.

Вихідні ВАХ ПТ з ізольованим затвором подібні до ВАХ ПТ з керуючим р-п

переходом, тільки характеристики проходять вище зі збільшенням напруги UЗB.

Умовні позначення МДН-транзисторів наведені на рисунку 8.

Рисунок 8 – Умовні позначення МДН-транзисторів з каналами:

а – вбудованим п-типу; б – вбудованим р-типу; в – індукованим п-типу; г –

індукованим р-типу.

ПТ широко використовують як дискретні компоненти електронних пристроїв,

а також у складі інтегральних мікросхем.

Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ)

83

Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ, англійською: IGBT –

insulated gate bipolar transistor) з'явилися у 80-х роках минулого століття і тепер

інтенсивно використовуються в якості силових приладів, витісняючи у багатьох

застосуваннях тиристори.

Структура, умовне позначення та еквівалентна схема БТІЗ наведені на

рисунку 9.

Рисунок 9 – Структура (а), умовне позначення (б) та еквівалентна схема (в)

БТІЗ

Як видно, він являє собою складну багатошарову структуру, створення якої

стало можливим з розвитком інтегральної технології: це вже, фактично, інтегральна

мікросхема.

БТІЗ поєднує властивості МОН-транзистора щодо керування з властивостями

біполярного транзистора в силовому колі.

Такі транзистори виконуються для напруги до 1200 В при частоті до 100 кГц

та сил струму до 2000 А, що забезпечується паралельним з'єднанням великого числа

елементарних транзисторів на одному кристалі (як у випадку СІТ-транзистора).

Вони продукуються у вигляді модулів, у яких міститься від одного до трьох

84

транзисторів, що дозволяє зменшити габарити електронних пристроїв.

У поєднанні з широкою номенклатурою керуючих пристроїв у мікро-

виконанні БТІЗ в наш час якнайширше застосовують у пристроях енергетичної

електроніки.

Польовий фототранзистор з керувальним р-п-переходом – це фототранзистор,

фоточутливий елемент якого має структуру ПТ. Його схему вмикання та структуру

показано на рисунку 10, а, а еквівалентну схему – на рисунку 10, б.

Рисунок 10 – Польовий фототранзистор з керувальним р-п-преходом: а –

структура і схема вмикання; б – еквівалентна схема.

Світловий потік через прозорий отвір 1 в діелектрику 2 опромінює канал п-

типу 4. Область витоку 3 та стоку 6 мають провідність п+-типу. Прилад

підключається за допомогою виводів 7. У коло затвора G вмикається резистор RG, а

в коло стоку D – резистор Rн. Але на відміну від розглянутих вище варіантів

необхідно звернути увагу на те, що оскільки немає вхідного сигналу, то ПТ з

керувальним р-п-переходом має максимальний переріз каналу, а отже, – і

максимальну провідність. Якщо ввімкнено зовнішнє джерело живлення ED, в колі

стоку буде протікати максимальний струм IDmax. Напруга на стоці через спад

напруги на резисїорі навантаження буде мінімальною:

UDSmіn = ED – IDmax нR⋅

З подачею світлового потоку в області затвора G та на р-п-переході затвор -

канал генеруються нерівноважні носії. Потенціальний бар'єр цього переходу

розділяє носії і створює в колі затвора фотострум Іф, який на резисторі RG формує

спад напруги UGS = Іф RG. Він буде тим більшим, чим інтенсивніший світловий

85

потік. Це викликає збільшення негативної напруги на затворі, тобто збільшення

зворотної напруги на керувальному р-п-переході транзистора. Переріз каналу

зменшується, провідність спадає, струм стоку зменшується. Спад напруги на RH

зменшується, а напруга на виході збільшується і може досягти значення ED, якщо

потужність світлового потоку забезпечить появу фотоструму такої величини, коли

напруга на затворі за рахунок спаду напруги на RG, зумовленого фотострумом,

досягне значення напруги відсікання (RGS(off)). Фототранзистор розглянутого типу

можна представити як ФД (структура затвор - канал) та як підсилювальний ПТ з

керувальним р-п-переходом (рисунок 10, б).

Диференціальна чутливість за струмом польового фототранзистора:

ІфДІфДGD

Iф KSSRSdФdSS =≈=

де – струмова чутливість еквівалентного ФД затвор - канал; ІфДS

S – крутість стокзатворної характеристики ПТ.

Струмова чутливість фототранзистора збільшилася в К = SRG разів порівняно

із чутливістю еквівалентного ФД і досягає значень 20...25 А/лм. Вхідний опір

польового фототранзистора становить близько 106...108 Ом. Тому значення опору

резистора RG може бути великим і його вибором можна завжди забезпечити високу

чутливість. Інерційні властивості польового фототранзистора визначає стала часу в

колі затвора, яка для малих світлових сигналів має значення близько τ = 10–7 с

Порогова потужність (або пороговий потік) польового фототранзистора

менші, ніж у БТ, оскільки рівень власних шумів на частотах 1... 10 МГц невеликий.

Використовуються різні структури польових фототранзисторів з р-п-

переходом та МДН-фототранзисторів. Найбільші швидкодія та чутливість структури

фотодіод - польовий транзистор. Фотодіод суміщується з областю витоку ПТ –

підсилювального елемента. Кожна із складових структури оптимізована: ФД – за

чутливістю та швидкодією, ПТ – за граничною частотою і підсиленням.

Порівняльною оцінкою параметрів фототранзисторів виявлено, найбільшу

чутливість у складеного фототранзистора, а максимальну швидкодію за умови

доброї чутливості у структурі фотодіод - біполярний транзистор. Такі самі

параметри забезпечує структура фотодіод - польовий транзистор. Фототранзистори

поступаються ФД за швидкодією, але за рахунок підсилення сигналу мають високу 86

чутливість.

Маркування транзисторів складається з чотирьох елементів:

перший (літера або цифра) – матеріал напівпровідника (Г(1) - германій; К(2) -

кремній; А (3) - арсенід галію);

другий (літера) – Т (біполярні), П (польові);

третій (тризначне число) – класифікаційна ознака за потужністю і частотою;

четвертий (літера) – різновид транзистора цього типу (А, Б, В тощо).

Наприклад, ГТ905А – германієвий біполярний потужний високочастотний

транзистор, різновид типу A.

87


ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ

1. Перелічить переваги польового транзистору у порівнянні з біполярним.

2. Як називаються характеристики польових транзисторів?

Ic = f (Uc) при Uзi-const

Ic = f (Uзi) при Uс-const

3. Наведіть УГП польових транзисторів.

4. Унаслідок яких фізичних процесів відбувається керування струмом у

польових транзисторах з клерувальним р-п переходом?

5. У чому проявляється особливість польових транзисторів з керуючим р-п

переходом та польових транзисторів з ізольованим затвором?

6. За якими параметрами здійснюється вибір польових транзисторів?

7. На які види поділяються польові транзистори за ознакою потужності і

частоти?

8. Користуючись довідником, розшифруйте позначення транзисторів:

ГТ905А; КП315Б; 1Т403А; 2П201Г

9. За яких умов в МДН-транзисторах реалізуються режими збіднення та

збагачення?

10. Наведіть схему включення МОН-транзистора з спільним істоком.

11. Які процеси забезпечують підсилення фотоструму у польових

фототранзисторах.

88

ТЕМА: ТИРИСТОРИ

Перемикаючі напівпровідникові прилади (тиристори)

Тиристор (від грецького thyra - двері + резистор) – це напівпровідниковий

прилад, що має багатошарову структуру і ВАХ якого має ділянку з негативним

опором. Його використовують як перемикач струму.

Тиристори бувають двоелектродні (або діодні) – диністори та триелектродні

(або тріодні) – триністори.

Диністори

Диністор має чотиришарову структуру, як зображено на рисунку 1. У нього є

три р-п переходи, причому, за зазначеної полярності джерела напруги UA, два

крайніх з них П1 і П3) зміщені у прямому напрямку, а середній (П2) – у зворотному

(рисунок 1, а).

Рисунок 1. Структура диністора (а) та його модель у вигляді двох транзисторів

(б).

89

Таку структуру можна представити у вигляді еквівалентної схеми (моделі), що

складається з двох транзисторів VT1 та VT2 р-п-р та n-p-п типу відповідно (рисунок

1, б). Цю модель можна отримати, якщо подумки розітнути прилад уздовж площини

А-А, а потім обидві частки електрично з'єднати. При цьому виходить, що переходи

П1 і П3 є емітерними переходами цих транзисторів, а перехід П2 для обох

транзисторів є колекторним.

Область бази Б1 транзистора VT1 одночасно є колекторною областю

транзистора VT2, а область бази Б2 транзистора VT2 – колекторною областю

транзистора VT1.

Відповідно, колекторний струм першого транзистора є базовим для другого

ІК1 = ІБ2, а колекторний струм другого транзистора – базовим першого ІК2 = ІБ1. Таке

вмикання забезпечує внутрішній додатний зворотний зв'язок: якщо увімкнеться хоча

б один транзистор, то надалі вони будуть підтримувати один одного в увімкненому

стані.

Струм диністора – це емітерний струм першого транзистора ІЕ1 або другого

ІЕ2. У той же час він складається з двох колекторних струмів

ІК1 = α1ІЕ1 та ІК2 = α2ІЕ2 (1)

де α1 і α2 – коефіцієнти передачі емітерного струму транзисторів VT1, VT2.

Крім того, до складу струму диністора І входить початковий некерований

(тепловий) струм колекторного переходу ІКО. Таким чином, можна записати:

І = α2ІЕ1 + α2ІЕ2 + ІКО (2)

ІЕ1 = ІЕ2 = І (3)

а значить

І = α1І + α2І + ІКО = І (α1 + α2) + ІКО (4)

звідки

)21(1 αα +−= КОII (5)

Проаналізуємо вираз (5), використовуючи графіки залежності α1 та α2 від

струму диністора, наведені на рисунку 2. 90

Рисунок 2. Залежність α1 та α2 від струму диністора.

Для малих значень струмів (α1 + α2) < 1 і струм І теж порівняно невеликий. Із

зростанням напруги на диністорі коефіцієнти α1 та α2 зростають (за рахунок

звуження баз транзисторів через розширення зворотно зміщеного переходу П2), а

отже, зростає і струм через диністор І.

При деякому значенні струму, що зветься струмом вмикання диністора Івм,

отримаємо (α1 + α2) = 1 і вихідний струм мав би зрости до нескінченності, якби не

обмежуюча дія опору навантаження Rн. Надалі прилад утримується в увімкненому

стані за рахунок внутрішнього додатного зворотного зв'язку.

ВАХ диністора наведена на рисунку 3, на якому позначено:

Uвм – напруга вмикання диністора;

Івм – струм вмикання;

Іут – струм утримання;

Ігр – гранично допустимий струм приладу;

Uгр – напруга, що відповідає Ігр.

Рисунок 3. ВАХ диністора та його умовне позначення.

91

Ділянка 0а ВАХ відповідає закритому стану диністора, ділянка аб –

лавиноподібному перемиканню приладу (ділянка з негативним опором, бо тут

IUR

∆∆

−= – величина від'ємна), а ділянка де, подібна відрізку ВАХ діода –

увімкненому стану диністора (режим насичення), вона є робочою ділянкою

характеристики.

Для вимикання приладу (переведення його у непровідний стан) струм у його

колі повинен стати меншим за струм утримання.

Основні параметри диністора:

– напруга вмикання диністора Uвм, що становить (20 ÷ 1000) В;

– максимальне середнє значення прямого струму за заданих умов

охолодження Іпр max, що становить (0,1 ÷ 2) А;

– струм утримання Іут – мінімальний прямий струм увімкненого диністора, при

подальшому зниженні якого диністор переходить у непровідний стан, що становить

(0,01 ÷ 0,1) А;

– максимальне допустиме амплітудне значення зворотної напруги Uзв max сягає

до 1000 В;

– час вмикання, тобто час переходу від закритого стану до відкритого,

знаходиться у межах (1 ÷ 10) мкс.

Триністор (керований діод)

Диністори не знайшли широкого розповсюдження (використовувались для

фіксування досягнення напругою певного значення). Зате тріодний тиристор

(триністор), який є керованим перемикаючим приладом і частіше називається

просто тиристором, став основою енергетичної електроніки 80-х років минулого

століття.

Тиристор – це чотиришаровий перемикаючий прилад, у якого від однієї з

базових областей зроблено вивід – керуючий електрод.

Структура та умовне позначення триністора (надалі – тиристор) наведені на

рисунку 4.

92

Рисунок 4. Стуктура та умовне позначення тиристора.

Подаючи між керуючим електродом та катодом пряму напругу на р-n перехід,

що працює у прямому напрямку, можна регулювати величину Uвм. Цю головну

властивість тиристора демонструє його ВАХ, наведена на рисунку 5.

Рисунок 5. ВАХ тиристора.

Схема вмикання тиристора зображена на рисунку 6.

93

Рисунок 6. Найпростіша схема вмикання тиристора.

Якщо подати в керуюче коло імпульс прямої напруги, тиристор вмикається і

залишається увімкненим після зняття сигналу керування.

Вимкнути тиристор можна лише зниженням струму у його анодному колі

нижче струму утримання Іут.

У колах постійного струму вимикання тиристора здійснюється шляхом

вмикання паралельно тиристору попередньо зарядженого конденсатора з напругою,

полярність якої зворотна щодо тиристора (примусова комутація).

У колах змінного струму вимикання тиристора здійснюється природно в

момент проходження струму через нуль (невимушена комутація) – тому

найширшого використання тиристори набули саме у колах змінного струму у якості

напівкерованих електронних перемикачів.

На рисунку 7 наведено схему найпростішого однофазного регулятора та часові

діаграми його роботи. Змінюючи затримку подачі сигналу керування відносно

переходу напруги мережі Uм через нуль – кут регулювання α – від 0 до π, можна

регулювати напругу на навантаженні Uн від нуля до максимуму.

Рисунок 7. Однофазний регулятор: а – електрична схема; б – часові діаграми

роботи.

94

Тиристори мають багато параметрів (біля ста). Наведемо основні з них.

1) Статичні параметри:

– струм вмикання Івм;

– струм утримання (мінімальний прямий струм увімкненого тиристора при

розімкненому колі керування, при подальшому зниженні якого тиристор переходить

у непровідний стан), становить (0,01 ÷ 0,7) А;

– порогова напруга U0, становить до 2 В.

2) Граничні параметри:

– максимально допустиме значення середнього струму через тиристор за

певних умов охолодження Ігр, складає (0,1 ÷ 2000) А;

– максимально допустиме амплітудне значення зворотної напруги UЗВ = (100 ÷

24000) В;

– струм робочого перевантаження, сягає 3 Ігр;

– ударний струм у відкритому стані, що не повторюється, сягає 20 Ігр;

– допустима середня потужність втрат у відкритому стані.

3) Динамічні параметри:

– час вмикання τвм (час переходу тиристора з непровідного стану у провідний),

що становить (1 ÷ 10 ) мкс;

– час вимикання τвим (мінімальний проміжок часу між проходженням через

нуль прямого струму та повторним прикладенням напруги до тиристора, що не

викликає самовільного вмикання приладу – час відновлення запірних властивостей),

становить (10 + 500) мкс;

– допустима швидкість зростання відновлюваної напруги на тиристорі, що не

призводить до його самовільного вмикання за рахунок ємнісного струму зміщення

структури (яка являє собою паразитний конденсатор) та внутрішнього додатного

зворотного зв'язку мксBdtdu

крит

/50020 −=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

(для гарантованого забезпечення

неперевищення її допустимого значення паралельно з тиристором зазвичай

вмикають ЛС-ланцюжок);

– допустима швидкість зростання прямого струму, що не призводить до

виходу тиристора з ладу за рахунок локального перегріву структури

95

мксАdtdі

крит

/7010 −=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

(для гарантованого забезпечення неперевищення її

допустимого значення послідовно з тиристором вмикають невелику індуктивність -

дросель).

4) Параметри кола керування:

– це значення постійного та імпульсного струмів кола керування при напрузі

джерела у ньому 12 В, та відповідні їм падіння напруги в колі керування.

Слід зазначити, що тривалість імпульсу керування повинна бути більшою за

час вмикання тиристора - звичайно становить (15 ÷ 20) мкс для активного

навантаження.

Симістор

Симістор або симетричний тиристор – прилад, який є керованим як при

позитивній, так і при негативній напрузі на ньому. ВАХ симістора та його умовне

позначення наведено на рисунку 8.

Рисунок 8. ВАХ симістора та його умовне позначення.

Прилад являє собою п'ятишарову структуру. Його параметри подібні до

параметрів триністора.

96

Електростатичні тиристори

Окрім розглянутих вище, в останній час в енергетичній електроніці

використовують і деякі новітні види тиристорів, що з'явилися завдяки досягненням

напівпровідникової технології. Це, наприклад, електростатичні тиристори (або SITh

-тиристори – Static Induction Thyristor). Технологія їх виготовлення настільки

складна, що опанована у світі лише декількома фірмами. Відповідно, їх вартість

досить висока.

Еквівалентна схема і позначення такого тиристора наведені на рисунку 9. У

нормальному стані він проводить струм. Вимикання здійснюється подачею на

керуючий електрод негативної відносно до катода напруги.

Рисунок 9. Еквівалентна схема (а) і позначення (б) електростатичного

тиристора.

Маркування тиристорів здійснюється за такою класифікацією:

1 позиція – літера Т, що вказує на призначення;

2 позиція – літера, яка вказує на вид тиристора (Б - швидкодійний, С -

симетричний, Ч - частотний, П - зі зворотною провідністю);

3 позиція – три цифри, які характеризують конструктивні особливості;

4 позиція – число, яке відповідає середтньому струму Іа в амперах;

5 позиція – клас за напругою, на яку розрахований тиристор;

6 позиція – цифри, які визначають номери груп за швидкістю наростання

напруги та часом вимикання.

Наприклад: ТБ133-250-8-52 – тиристор швидкодійний, середній анодний

97

струм 250А, восьмий клас за напругою, п'ята група за наростанням напруги та друга

група за часом вимикання.

Фототиристором називають тиристор, в якому завдяки фотоелектричному

ефекту напруга вмикання зменшується зі збільшенням освітленості.

Напівпровідникові фототиристори керуються світловим потоком і

використовуються для швидкого та ефективного перемикання великих струмів.

Опрпромінення р-бази показано на рисунку 10, а.

Рисунок 10. Фототиристор: а – структура; б – ВАХ;

1 – прозоре покриття; 2 – діелектричний шар; 3, 4 – емітерні області

відповідно п+- і р+-типу; 5, 6 – базові області р- і п-типу; 7 – виводи фототиристора

(КЕ – керувальний електрод).

Як і у звичайному тиристорі в фототиристорах з подачею позитивної напруги

на анод, а негативної на катод крайні р-п-переходи (емітерні) зміщуються в прямому

напрямі, а середній (колекторний) – у зворотному. З підвищенням напруги

відбувається накопичення дірок в р-базі 5 і електронів у п-базі 6. З досягненням

напруги на аноді значення, що дорівнює значенню напруги вмикання, накопиченний

заряд стає достатнім для компенсації потенціального бар'єра колекторного переходу

і тиристор перемикається у відкритий стан.

Фототиристор можна замінити еквівалентною схемою (рисунок 10, в), в якій

фотострум ФД VD керує вмиканням тиристора VT. Сім'ю ВАХ фототиристора

зображено на рисунку 10, б, де як параметр використано світловий потік. Якщо

потік Ф = 0, то ВАХ не відрізняється від характеристики діодного тиристора.

Світловий потік і фотострум бази тиристора прямо пропорційні. Тому, якщо Ф ≠ 0,

то ВАХ фототиристора аналогічні характеристикам тріодного тиристора.

98

Значення порогового світлового потоку, який забезпечує гарантоване

ввімкнення фототиристора (якщо задано напругу джерела живлення Еа), можна

змінювати в деяких межах струмом керувального електрода КЕ (рисунок 11, а). Цим

струмом можна електрично керувати через увімкнення і вимкнення фототиристора.

99


ТИРИСТОРИ

1. Що таке тиристор, динистор, тринистор. Наведіть їх УГП.

2. Наведіть ВАХ диністора. Що таке зона від’ємного опору на ВАХ?

3. Як увімкнути ы як вимкнути тиристор?

4. Внаслідок яких процесів у динисторі відкривається колекторний р-п

перехід?

5. Перелічить статичні параметри.

6. Перелічить динамічні параметри.

7. Наведіть схему вмикання тринистора.

8. Користуючись довідником, розшифруйте позначення тиристорів:

Т106–10; ТБ151–50; ТЧ–40; КН102А; КУ110Б.

9. Перелічіть області застосування тиристорів.

10. Які процеси відбуваються у фото тиристорі при освітленні бази?

100

ТЕМА: ОСОБЛИВОСТІ ОПТОЕЛЕКТРОНІКИ. ОПТРОНИ

Оптрон – це оптоелектронний прилад, який складається з одного або

декількох випромінювачів та приймачів випромінювання, між якими є оптичний

зв'язок і забезпечена електрична ізоляція. Найпоширенішими оптронами є оптопари,

що складаються з одного випромінювача й одного приймача (однієї пари).

Конструктивно оптопари містяться у спільному корпусі і являють собою одне ціле

(рисунок 1).

Рисунок 1. Оптрон у дискретному виконанні.

Як випромінювачі в оптопарах використовують інфрачервоні випрамі-

нювальні діоди, світлодіоди, електролюмінесцентні порошкові або плівкові

випромінювачі, а також напівпровідникові лазери. Найпоширенішими є

інфрачервоні випромінювальні діоди, які відрізняються від світлоді-одів та

електролюмінесцентних випромінювачів більшим ККД (понад 10 %), а також

простотою структури та керування.

Другим елементом оптопари – фотоприймачем – можуть бути фоторезистори,

ФД, фототранзистори (біполярні та польові), фототиристори. Залежно від типу

фотоприймача розрізняють резистивні, діодні, транзисторні і тиристорні оптопари.

Приклади схемного позначення різних оп-топар показано на рисунку 2.

Рисунок 2. Оптопари:

а – тиристорна; б – діодна з фотоварікапом; в – транзисторна з 101

фототранзистором; г – транзисторна з фототранзистором.

Оптичне середовище розповсюдження сигналу від випромінювача до

приймача являє собою оптично прозорий компаунд (клей) на основі полімерів або

халькогенідного скла. Для одержання надійної електричної ізоляції виходу від входу

(приймача від випромінювача) використовують волоконно-оптичні лінії зв'язку.

Такий оптоелектронний напівпровідниковий прилад називають волзтроном.

Підсилюють і перетворюють вхідний електричний сигнал в оптопарах таким

чином. Вхідний електричний інформаційний сигнал модулює потужність світлового

потоку, який генерується випромінювачем оптопари. Через прозорий компаунд

випромінювання попадає на світлочутливий елемент фотоприймача і керує його

провідністю, яка вмикається в коло зовнішнього джерела живлення послідовно з

навантаженням (рисунок 3).

Рисунок 3. Резисторна оптопара.

У діодних оптопарах, якщо немає джерела напруги в зовнішньому колі, ФД

працює в режимі фотоелемента. Це означає, що з надходженням на вхід оптопари

електричного сигналу на виході формується фото-ЕРС. Перетворення «сигнал -

сигнал» за допомогою оптопар дозволяє в широких межах зміщувати рівень

постійної напруги між входом і виходом оптопари. Необхідно лише враховувати

рівень ізоляції між випромінювачем і приймачем та допустиму різницю напруг між

ними. Ці параметри наводяться в довідниках для конкретних типів оптопар.

Для створення надійного оптичного зв'язку між елементами оптопари, крім їх

відповідного розташування, необхідно забезпечити найближчий збіг спектральних

характеристик цих елементів. Так, світлодіоди на основі арсеніду галію AsGa та

арсеніду фосфіду галію GaAsP спектрально узгоджені з кремнієвими

фотоприймачами.

Система параметрів оптронів ґрунтується на системі параметрів оптопар,

102

використовуваних в оптроні, і складається із чотирьох груп: вхідних, вихідних,

передавальних параметрів та параметрів гальванічної розв'язки.

Вхідні параметри – це параметри випромінювача (вхідна напруга,

максимально допустима зворотна вхідна напруга, номінальний струм та

максимально допустимий вхідний струм).

Вихідні параметри – це параметри фотоприймача (максимально допустимі

зворотна напруга та вхідний струм, світловий і темновий опори, залишкова напруга

та вихідна ємність).

До передавальних параметрів належать статичний коефіцієнт передачі струму

(Івих / Івх), тривалість умикання, ємність зв'язку (між входом та виходом оптрона).

Параметри гальванічної розв'язки є найважливішими параметрами оптронів.

Саме вони визначають доцільність використання таких приладів. До них належать

максимально допустимі пікова та постійна напруги між виводами входу і виходу та

опір гальванічної розв'язки (опір між виводами входу і виходу оптрона).

Найважливіші позитивні якості оптронів:

– немає електричного зв'язку між входом і виходом та зворотного зв'язку між

фотоприймачем і випромінювачем; опір ізоляції між входом і виходом може

досягати 1014 Ом; прохідна ємність не перевищує 2 пФ, а в деяких приладах

знижується до малих часток пікофаради;

– широка смуга частот: можливість передачі сигналів із частотою від нуля до

1014 Гц;

– можливість керування вихідними сигналами дією на оптичну частину;

– високий завадозахист оптичного каналу, тобто він не піддається впливу

зовнішніх електричних полів;

– можливість суміщення в PEA з іншими напівпровідниковими,

електровакуумними та мікроелектронними приладами.

Оптронам властиві такі недоліки:

– відносно велика потужність, що споживається приладами за рахунок

дворазового перетворення енергії, причому ККД таких перетворень невисокий;

– невисока температурна стабільність та радіаційна стійкість;

– помітне «старіння», тобто погіршення параметрів з плином часу;

– порівняно високий рівень власних шумів;

103

– потреба у використанні гібридної технології замість більш зручної і

досконалої планарної (в одному приладі об'єднані джерело і приймач

випромінювання, що виготовляються з різних напівпровідників).

Усі ці недоліки усуваються в процесі розвитку оптоелектронної техніки.

Промисловість випускає широку номенклатуру оптронів різного типу. Особливу

конструкцію мають оптопари з відкритим оптичним каналом – оптрони. У них між

випромінювачем та фотоприймачем є повітряний проміжок (рисунок 4, а), в якому

може рухатися перфострічка або інший носій інформації з отворами. Це дозволяє

керувати світловим потоком що широко використовується в системах автоматики.

Рисунок 4. Конструкції оптопар:

а – з оптично прозорим клеєм; б – з повітряним проміжком; в – з відбиттям

світлового потоку; 1 – випромінювач; 2 – фотоприймач; 3 – об'єкт.

На рисунку 5 показано варіанти використання оптронів.

Рисунок 5. Використання оптронів: а – як керовані резистори; б – у ключових

схемах; в – у схемах оптичного зв'язку.

Оптоелектрошй інтегральні мікросхеми.

104

Обов'язковою частиною таких мікросхем є та чи інша оптопара. Залежно від

потрібної швидкодії обробки аналогових або цифрових сигналів від потужності на

виході та від інших вимог як фотоприймальний елемент оптопари використовують

один з перерахованих вище елементів. Кожний з них має свої переваги та недоліки,

які визначають можливості й обмеження оптоелектронної ІМС. Зазвичай між

виходом оптопари та виконавчим пристроєм вмикається узгоджувальна електронна

схема. Під час використання інтегральної технології додаткове ввімкнення такої

узгоджувальної схеми, об'єднаної з оптопарою у спільному корпусі, не створює

принципової складності. Але завдяки наявності оптичного зв'язку оптоелектронні

ІМС, як і дискретні оптопари, мають ряд суттєвих переваг.

Оптоелектронну мікросхему К293ЛП1А показано на рисунку 6. Це приклад

транзисторної логіки з оптронним входом.

Рисунок 6. Принципова схема мікросхеми К293ЛП1А.

Маркування оптронів здійснюється так:

перша літера – матеріал напівпровідника (найчастіше використовуваний -

сполуки галію, тоді літера А);

друга літера – О (оптопара);

третя літера – тип фотоприймача (Д - фотодіод, Т - фото-транзистор, У-

тиристор, Р - з відкритим оптичним каналом);

три цифри – номер приладу;

остання літера – класифікація за параметром.

Якщо на оптопарі є напис АОТ121Б, то це – оптопара діод-транзистор на

сполуці галію, номер 121 Б, група параметрів Б.

105


ОСОБЛИВОСТІ ОПТОЕЛЕКТРОНІКИ. ОПТРОНИ

1. Які переваги оптоелектронних приладів? Обгрунтуйте їх.

2. Дайте загальну характеристику напівпровідникових джерел


3. Дайте загальну характеристику напівпровідникових приймачів


4. Наведіть загальну характеристику основних видів оптопар.

5. Поясніть особливості та переваги оптоелектронних ІМС.

6. Користуючись довідником, розшифруйте позначення оптронів:

АОТ102В; АОР121В; АОР100А

106

ТЕМА: УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Электронно-лучевыми приборами называют электронные электровакуумные

приборы, в которых используется поток электронов, сконцентрированный в форме

луча или пучка лучей. Электроннолучевые приборы, предназначенные для

получения видимого (оптического) изображения на экране, светящемся под

действием электронов, или для регистрации получаемого изображения на

светочувствительном слое, получили название электронно-графических

электронных приборов. К ним относятся электронно-лучевые трубки, имеющие

вытянутую в направлении луча форму баллона.

В зависимости от способа фокусировки и отклонения электронного луча

различают трубки:

1) в электростатическим управлением (электростатические), в которых

электронный луч фокусируется и отклоняется электрическим нолем;

2) с электромагнитным управлением (электромагнитные), в которых луч

фокусируется и отклоняется магнитным полем;

3) с комбинированной системой фокусировки и отклонения электронного

луча.

По функциональному назначению ЭЛТ делятся на следующие основные

группы:

1) осциллографические трубки, служащие для наблюдения и снятия

осциллограмм электрических сигналов. Эти трубки в основном применяются в

измерительной технике;

2) индикаторные трубки, предназначенные для регистрации электрических

сигналов в радиолокационных и радионавигационных устройствах;

3) кинескопы, предназначенные для преобразования электрического

телевизионного сигнала в видимое изображение. Эти трубки с успехом

используются также в устройствах вывода информации ЭВМ третьего и четвертого

поколений;

4) запоминающие трубки, используемые для записи и хранения информации;

5) знакопечатающие трубки (характроны), предназначенные для

107

воспроизведения на экране букв, цифр и других знаков с последующей

регистрацией информации фотографическим способом;

6) электронно-оптические преобразователи (ЭОП), используемые для

преобразования и усиления оптических изображений;

7) электронно-лучевые переключатели, предназначенные для коммутации

электрических цепей с помощью электронного луча.

Особую группу электронно-лучевых приборов составляют передающие

телевизионные трубки, предназначенные для преобразования оптического

изображения в электрические телевизионные сигналы.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением

Устройство и схема питания осциллографической электронно-лучевой трубки

с электростатической фокусировкой и отклонением электронного луча показаны на

рисунке 1.

Рисунок 1. Устройство злектронно-лучевой грубки в электростатическим

управлением: 1 – катод, 2 – управляющий электрод (модулятор) 3 – первый анод: 4 –

второй анод; 5 – аквадаг, 6 – экран.

Основными частями трубки являются:

1) электронная пушка, создающая узкий электронный луч, направленный

вдоль оси трубки;

2) отклоняющая система, назначением которой является изменение

направления электронного луча;

3) экран, обладающий способностью светиться при бомбардировке его

электронами луча. 108

Рассмотрим назначение и устройство отдельных элементов трубки.

Электронная пушка.

Электронной пушкой, или электронным прожектором, называется система

электродов, позволяющая получить направленный поток электронов (электронный

луч). Поме щается она в узкой удлиненной части колбы и состоит из подогревного

катода, управляющего электрода и двух анодов.

Катод сделан в виде небольшого никелевого цилиндра, дно которого

покрывается активированным слоем, испускающим при нагреве электроны. Обычно

в электронно-лучевых трубках применяется оксидный катод. Вывод катода часто

присоединяется внутри баллона к одному из концов нити накала. Вокруг катода

располагается управляющий электрод (модулятор), выполненный в виде никелевого

цилиндра с небольшим отверстием (диафрагмой) в донышке. На модулятор

подается отрицательное относительно катода напряжение порядка нескольких

десятков вольт. Под действием электрического поля, созданного этим напряжением,

электроны прижимаются к оси трубки и сходятся в точку на некотором расстоянии

от управляющего электрода. Благодаря этому осуществляется предварительная

фокусировка электронного луча. Кроме того, электрическое поле между катодом и

управляющим электродом, являясь тормозящим для электронов, отталкивает

некоторые из них обратно на катод. Следовательно, регулируя величину

отрицательного потенциала на модуляторе, можно изменять количество электронов,

пролетающих через его диафрагму, т. е. изменять плотность электронного луча.

Такая регулировка приводит к изменению яркости светящегося пятна на экране

трубки. Движение электронов от катода к экрану и дальнейшая фокусировка их в

узкий пучок обеспечивается системой двух анодов, выполненных в виде полых

металлических цилиндров. Первый анод выполняется меньшего диаметра, чем

второй, и снабжается большим количеством диафрагм. Чтобы получить

достаточные скорости движения электронов, на аноды подаются большие

положительные напряжения (на первый анод порядка нескольких сотен вольт, а на

второй – порядка нескольких киловольт).

Для уяснения фокусирующего действия системы двух анодов рассмотрим

рисунок 2. Так как потенциал второго анода А2 выше потенциала первого анода А1

109

то электрическое поле между ними будет направлено от второго анода к первому

(рисунок 2, а).

Рисунок 2. Фокусировка электронного луча с помощью системы двух анодов:

а – электрическое поле между первым и вторым анодами; б – траектория движения в

фокусирующем поле анодов; в – оптический эквивалент системы двух анодов.

На электрон, попадающий в электрическое поле, действует сила, направленная

в каждой точке поля по касательной к силовой линии. Например, на электрон,

находящийся в точке В, действует сила F, направленная по касательной к силовой

линии электрического поля между первым и вторым анодами (рисунок 2, б). Силу F

можно разложить на две составляющие: продольную F1 и поперечную F2.

Продольная составляющая F1 ускоряет движение электрона вдоль оси трубки, а

поперечная F2 прижимает его к оси В точке В' на участке второго анода продольная

составляющая F1 по-прежнему ускоряет электрон в направлении экрана, но

поперечная составляющая F2 уже отклоняет его от оси.

Таким образом, действие системы анодов эквивалентно действию оптической

системы из собирательной и рассеивающей линз (рисунок 2, в). Поэтому

фокусирующую систему анодов электронно-лучевой трубки иногда называют

электростатической линзой. Необходимо подчеркнуть, что собирающее действие

левой части электростатической линзы не равно рассеивающему действию правой

части, так как скорость электрона в точке В на участке первого анода меньше, чем в

110

точке В' на участке второго анода. Чем меньше скорость, тем дольше находится

электрон в отклоняющем поле и тем больше испытываемое им отклонение, и

наоборот.

Следовательно, собирающее действие левой части больше рассеивающего

действия правой части, и электроны будут сходиться в одной точке (А') на оси

трубки на некотором расстоянии от анодов. Меняя величину напряжения на первом

аноде, можно изменять электрическое поле между анодами и тем самым перемещать

точку фокуса вдоль оси трубки, добиваясь совмещения ее с поверхностью экрана.

При этом на экране трубки получается резко очерченное светящееся пятно малого

диаметра.

Отклоняющая система

На пути к экрану электронный луч проходит между двумя парами взаимно

перпендикулярных отклоняющих пластин XX и YY, называемых

электростатической отклоняющей системой (рисунок 3).

Рисунок 3. Отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки.

Пластины XX отклоняют луч по горизонтали и называются поэтому

горизонтально отклоняющими. Пластины YY, отклоняющие луч в вертикальном

направлении, называются вертикально отклоняющими.

Если подать на каждую пару пласіин постоянное напряжение, то электронный

луч отклонится в сторону пластины, находящейся под положительным

потенциалом. Когда на пластины подается переменное напряжение, перемещение

светящегося пятна по экрану образует светящиеся линии.

Экран

Экран электронно-лучевой трубки представляет собой тонкий слой вещества 111

(люминофора), способного светиться при бомбардировке электронами. К таким

веществам относятся виллемит (сульфид цинка), вольфрамово-кислый кальций и др.

В зависимости от состава люминофора может быть получено свечение различного

цвета.

Оседая на экране, электроны создают на нем отрицательный заряд, который

может возрасти до большой величины и нарушить нормальную работу трубки. Для

предотвращения этого внутренняя поверхность колбы покрывается

электропроводящим графитовым слоем (аквадагом), соединенным со вторым

анодом. К этому слою притягиваются вторичные электроны, испускаемые экраном

под действием бомбардировки первичными электронами, чем и достигается отвод

зарядов от экрана.

Параметры ЭЛТ.

Одним из основных параметров электроннолучевых трубок является

чувствительность, показывающая, на сколько миллиметров перемещается луч по

экрану при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1 В.

Чувствительность принято выражать в миллиметрах на вольт.

Математически чувствительность определяется по формуле:

dUll

UhS

a2

21

2==

где S – чувствительность, мм/В; h – величина отклонения луча на экране

трубки, мм; l1 – длина отклоняющих пластин, мм; l2 – расстояние от середины

пластины до экрана, мм; d – расстояние между пластинами, мм; Ua2 – напряжение на

втором аноде, В.

Зависимость чувствительности от всех величин, входящих в данную формулу,

нетрудно объяснить (рисунок 4).

112

Рисунок 4. К пояснению зависимости чувствительности ЭЛТ от ее

конструктивных размеров.

С увеличением l1 электрон дольше летит в отклоняющем поле и поэтому

получает большое отклонение. А при одном и том же угловом отклонении смещение

светящегося пятна на экране возрастает с увеличением расстояния l2. Если же

раздвинуть пластины, т. е. увеличить d, то напряженность поля между пластинами

уменьшится и это вызовет уменьшение отклонения. Увеличение Ua2 также

приводит к уменьшению отклонения, поскольку при этом возрастает скорость

движения электронов между пластинами.

В современных электростатических трубках величина чувствительности

находится в пределах 0,1–1 мм/В. Чувствительность трубки в горизонтальном (Sx) и

вертикальном (Sx) направлениях неодинакова, так как одна пара пластин

расположена дальше от экрана, чем другая.

Помимо чувствительности, важнейшими параметрами ЭЛТ являются яркость

свечения экрана и длительность послесвечения.

Яркость свечения экрана — это сила света, излучаемого 1 м2 светящейся

поверхности экрана в направлении наблюдателя. Равномерно светящаяся

поверхность площадью 1 м2, излучающая в направлении наблюдателя свет силой в

одну свечу, имеет яркость одну канделу на квадратный метр (кд/м2). Яркость

свечения экрана современных осциллографических ЭЛТ составляет несколько

десятков кандел на квадратный метр.

Длительность послесвечения — это время, необходимое для спадания яркости

свечения от первоначальной величины до минимального значения после

прекращения электронной бомбардировки экрана.

Условно, в зависимости от состава люминофора, длительность послесвечения

делят на пять групп:

113

1) менее 10–5 с — очень короткое послесвечение;

2) 10–5...10–2 с —короткое;

3) 10–3... 0,1 с — среднее;

4) 0,1... 16 с — длительное;

5) более 16 с — очень длительное.

Одним из определяющих параметров осциллографических трубок,

предназначенных для фотографирования с экрана быстропротекающих процессов,

является максимальная скорость записи осцилограмм. Величина ее, помимо режима

питания, определяется Эффективностью люминофора, его активностью к

фотоэмульсии и плотностью тока в электронном пятне. Для повышения скорости

записи используются трубки с дополнительным ускорением (послеускорением)

электронов после прохождения ими отклоняющей системы. Трубки с

послеускорением позволяют регистрировать осциллограммы при движении пятна на

экране со скоростью порядка 10 000 км/с.

Буквенно-цифровые индикаторы

В устройствах отображения информации, наряду с электроннолучевыми

трубками, находят широкое применение разнообразные индикаторы, построенные

на различной физической основе.

Газоразрядные индикаторы

Буквенно-цифровые газоразрядные индикаторы являются ионными приборами

тлеющего разряда, в которых свечение газа в процессе ионизации используется для

оптической индикации отображаемых символов.

Цифровые и знаковые газоразрядные индикаторы (типа ИН-1, ИН-2, ИН-4 и

др.) конструктивно оформляются в виде стеклянного баллона, заполненного неоном

под давлением порядка (4...5)×103 Па. В баллоне размещены один или два сетчатых

анода и необходимое количество индикаторных проволочных катодов,

выполненных в виде цифр (0...9), букв, символов и других знаков (запятая, минус,

плюс и т. д.). Катоды индикатора имеют самостоятельные выводы и расположены

114

один за другим на расстоянии около 1 мм.

Устройство двуханодного цифрового индикатора показано на рисунке 5, а.

Рисунок 5. Цифровая индикаторная лампа: а – устройство; б – вид со стороны

торцевой части колбы при включенной цифре.

Подача напряжения между анодом и выбранным катодом вызывает тлеющий

разряд между этими электродами, в результате чего символ начинает светиться.

Свечение, наблюдается через баллон прибора (рисунок 5, б). Яркость свечения

может достигать 200 кд/м2 и более.

Газоразрядные индикаторы выполняются как с торцевой, так и с боковой

индикацией. Для устройств индикации с большим количеством десятичных знаков

более предпочтительными оказываются лампы е боковой индикацией.

Схема включения газоразрядного цифрового индикатора приведена на

рисунке 6.

Рисунок 6. Схема включения газоразрядного цифрового индикатора.

Питающее напряжение подается на анод относительно одного из катодов.

Если напряжение между анодом и одним из катодов будет равным напряжению

зажигания, в баллоне наблюдается разряд. Прикатодная область отличается ярким

115

свечением газа и в смотровом окне хорошо просматривается соответствующая

цифра. Чтобы высветить другую цифру, необходимо подключить другой катод g

помощью внешнего коммутирующего устройства.

Основными параметрами газоразрядных индикаторов являются! напряжение

зажигания (Uа.заж); напряжение горения (Uгор); ток индикации — ток, при котором

покрытые разрядным свечением цифры обеспечивают надежную визуальную

индикацию (Іинд); наибольший рабочий ток (Іmах); высота цифр (или других знаков);

яркость свечения и др.

Наряду с рассмотренными выше газоразрядными индикаторами с десятью

изолированными катодами, высвечивающими отдельные знаки, все более широкое

распространение получают многоразрядные плазменные дисплеи панельного типа.

Один из вариантов такого индикатора представлен на рисунке 7, а.

Рисунок 7. Основные конструктивные элементы (а) и схема устройства

управления (б) плазменной панелью: 1 – стеклянные пластины; 2 – центральная

мозаичная пластина; 3 – электроды; К – коммутаторы; Г1 – генератор

поддерживающего напряжения; Г2 – генератор «пишущих» (стирающих) импульсов

Электронная часть индикатора образована двумя металлическими решетками

(электродами), формирующими изображение, которые укрепляются на прозрачных

стеклянных пластинах. Пластины затем соединяются в горячем состоянии, а

образованный плоский сосуд вакуумируется, заполняется газом и герметизируется.

Экран представляет собой керамическую мозаичную пластину, в которой сделано

множество отверстий, образующих изолированные друг от друга разрядные

промежутки.

Простая плоская конструкция подобных индикаторов (их толщина не

превышает нескольких миллиметров) позволяет создать на их основе матричные

116

экраны (плазменные панели), содержащие не менее 104...105 элементарных

газоразрядных ячеек при разрешающей способности 10...20 лин/см. На экране могут

высвечиваться различные символы, образы и даже целые картины.

Схема устройства управления такой панелью приведена на рисунке 7, б.

Высокочастотный экран питается двумя возбуждающими напряжениями от

генератора G1 и G2: синусоидальным опорным с частотой в несколько килогерц,

поддерживающим разряд, и записывающим (или стирающим) в виде коротких

прямоугольных импульсов, «поджигающих» ту или иную ячейку. Напряжения,

вырабатываемые генераторами, подводятся к соответствующим шинам панели через

специальные коммутаторы (S), позволяющие управлять формируемым

изображением на экране. Устройства управления индикатором обычно собираются

на интегральных микросхемах и монтируются на задней стороне панели. Для

получения цветного изображения изготавливается прозрачная панель, каждый слой

которой генерирует свечение определенного цвета (обычно красного, зеленого и

синего), а требуемая цветность обеспечивается управлением яркостью свечения

соответствующего слоя.

Вакуумные электролюминесцентные и накальные индикаторы

Основными недостатками газоразрядных индикаторов является

необходимость использования для их работы сравнительно высоких напряжений,

вызывающих зажигание соответствующего газового промежутка. Этот недостаток

устранен в вакуумных электролюминесцентных индикаторах, получивших

достаточно широкое распространение. Такие индикаторы внешне напоминают

миниатюрные электронные лампы. Они представляют собой трехэлектродные

приборы: электроны, испускаемые нагретым катодом, ускоряются в электрическом

поле управляющей сетки и бомбардируют сегменты анода, покрытые

люминофором. Устройство вакуумного люминесцентного индикатора иллюстрирует

рисунок 8, а.

117

Рисунок 8. Вакуумный электролюминесцентный индикатор: а – устройство; б

– внешний вид; в – комбинации анодов; г – цоколевка.

Внутри баллона последовательно один за другим расположены катод прямого

накала 1, сетка 2 и несколько анодов — сегментов, расположенных в одной

плоскости на общей керамической пластинке 3. Для более четкого ограничения

контуров формируемого знака аноды прикрываются металлической пластинкой

(маской) 4 с прорезями, расположенными против соответствующих анодов.

В зависимости от химического состава люминофора формируемые знаки

могут быть разного цвета и различной яркости. Мощность, потребляемая

вакуумными люминесцентными индикаторами, весьма невелика — доли ватт,

питающее напряжение порядка 10...30 В. Выпускаемые в настоящее время

вакуумные люминесцентные индикаторы предназначены для работы в цепях вывода

информации, воспроизведения знаков в вычислительных и измерительных

устройствах широкого применения.

Внешний вид, комбинация анодов и цоколевка выводов типичного вакуумного

люминесцентного индикатора изображены на рисунке 8, б, в и г.

В развитии вакуумных индикаторов так же, как и газоразрядных, четко

определился переход на создание многоразрядных матричных дисплеев. При этом,

наряду с люминесцентными индикаторами, рассмотренными выше, могут быть

использованы и так называемые шкальные индикаторы, в которых используется

свечение накаленных металлических (вольфрамовых) пленок, нанесенных на

изоляционную подложку. Последовательность операций при изготовлении такого

118

индикатора состоит в следующем (рисунок 9).

Рисунок 9. Сегмент тонкопленочного накального индикатора: 1 – сапфировая

подложка; 2 – тонкая вольфрамовая полоска (нить накала); 3 – утолщенные

вольфрамовые токоподводы; 4 – отверстие в сапфировой подложке.

На тщательно отполированную сапфировую подложку осаждают

вольфрамовую пленку достаточно большой толщины. Затем с лицевой стороны

подложки в этой пленке методом фотолитографии формируют коммутационные

дорожки (утолщенные вольфрамовые токопроводы) и тонкие вольфрамовые

полоски (нити накала) соответствующей конфигурации. Далее с обратной стороны

подложки вытравливаются окна, в результате чего накальные тонкопленочные

элементы оказываются подвешенными на сапфировых траверсах (держателях).

Малое поперечное сечение накальных элементов и отсутствие контакта их

поверхности с подложкой позволяют снизить потребляемую мощность до

милливатт. Подобные индикаторы, размещенные в соответствующих вакуумных

корпусах — панелях, обеспечивают очень высокую яркость свечения (что

обязательно при сильной солнечной засветке) и высокие эксплуатационные

характеристики (долговечность, температурную и радиационную стойкость,

совместимость с интегральными микросхемами и др.). Таким образом,

использование пленарной технологии существенно изменяет подход к принципам

разработки и конструктивному оформлению вакуумных индикаторов.

Полупроводниковые индикаторы

В полупроводниковых (твердотельных) индикаторах широкое применение

находят светодиоды, обладающие высокой яркостью свечения, большим

119

быстродействием и долговечностью. Индикаторы на светодиодах изготавливаются

двух типов: сегментные (цифровые) и матричные (универсальные). Сегментные

цифровые индикаторы представляют собой комбинацию определенного числа

светодиодов, расположенных таким образом, что при подаче напряжения на

соответствующие выводы высвечиваются цифры 0...9. Один индикатор,

содержащий семь диодов прямоугольной формы, способен высвечивать все цифры и

некоторые буквы. Индикатор, содержащий шестнадцать диодов, позволяет

воспроизводить практически неограниченное число знаков.

Габариты и цоколевка типичного светодиодного цифрового индикатора

(КЛ104) показаны на рисунке 10.

Рисунок 10. Габариты и цоколевка светодиодного цифрового индикатора.

Индикатор оформлен в металлическом корпусе, снабженном девятью

штыревыми ножками для подключения питающих напряжений. Масса прибора – не

более 7 г. Максимальный угол (относительно оптической оси), при котором

возможно неискаженное считывание показаний индикатора, равен 60°. Цвет

свечения – желтый.

Размеры рабочего кристалла светодиода малы – порядка 400×400 мкм.

Поэтому излучающий кристалл – это светящаяся точка. Символы и цифры не

должны быть менее 3 мм. Для увеличения масштаба светоизлучающего кристалла

применяют линзы, рефлекторы, конические призмы (фоконы).

Структура сегментного цифрового индикатора показана на рисунке 11, а. Этот

индикатор позволяет воспроизводить все десять цифр и точку. Схема размещения

диодов и их соединений на плате (топология) показана на рисунок 11, б (светодиод,

изображающий точку, обведен кружком).

120

Рисунок 11. Структура светодиодных индикаторов: а, б – сегментного

цифрового индикатора и его топологии; в – матричного цифро-буквенного

индикатора

Матричный индикатор (рисунок 11, в) содержит 35 диодов (7×5) и позволяет

воспроизводить все цифры, буквы и знаки стандартного кода для обмена

информацией.

Управление светодиодами в индикаторах осуществляется с помощью

ключевых схем. Пример такой схемы для случая управления десятиразрядным

цифровым семисегментным дисплеем приведен на рисунке 12.

Рисунок 12. Структурная схема управления десятиразрядным семи-

сегментным дисплеем.

В этой схеме катоды (п-области) светодиодов одноименных сегментов всех 121

разрядов соединены между собой. Поэтому для их подключения требуется всего

семь внешних выводов. Так же соединены между собой аноды семи сегментов

каждого разряда. В результате полное число внешних выводов десятиразрядного

дисплея не превышает 17. Матричная структура управления не позволяет

одновременно включать все строки (разряды), если цифры (наборы сегментов)

отличаются друг от друга. Поэтому схема управления предусматривает временное

разделение включения каждой из строк. С помощью распределителя в каждый

данный момент к источнику тока подключается только один разряд индикатора.

Одновременно на другую координату матрицы подают информацию, подлежащую

отображению, в виде двоично-десятичного или какого-либо другого кода. В схеме

дешифратора происходит преобразование входного, управляющего кода в

позиционный (сегментный), т. е. подключение выбранного сегмента к источнику

тока. Поразрядное включение матрицы осуществляется непрерывно. Поэтому в

каждом цикле включения через выбранные сегменты каждого разряда протекает

импульс тока, которому соответствует и импульс высвечивания соответствующего

светодиода. Принципиальные электрические схемы распределителя и дешифратора

содержат транзисторные ключи, позволяющие осуществлять бесконтактную

быстродействующую коммутацию схемы.

В настоящее время разработаны светодиоды с перестраиваемым цветом

свечения. Изменение цвета достигнуто благодаря формированию в одном приборе

двух р-п переходов, один из которых позволяет получить зеленое свечение, а второй

— красное. При одновременном возбуждении обоих переходов излучается желтый

свет. Регулируя по величине токи через переходы, можно изменять цвет свечения от

зеленовато-желтого до красновато-желтого. С помощью подобных светодиодов

можно создать цветные устройства отображения информации, заменить кинескопы

телевизоров достаточно большими плоскими экранами, позволяющими получать

цветное изображение.

Жидкокристаллические индикаторы

Индикаторы на жидких кристаллах в последние годы все чаще применяются в

разнообразной электронной аппаратуре. Эти индикаторы отличаются малыми

122

габаритами, потребляют незначительную мощность (не более 100 мкВт) от

низковольтных источников питания, обеспечивают высокую контрастность

изображения даже при достаточно высоких уровнях засветки.

Жидкими кристаллами называют особую группу веществ, занимающих

промежуточное положение между твердым и жидким состояниями. Эти вещества

состоят из цепочечных, нитевидных органических молекул, вытянутых в

определенных направлениях (рисунок 13, а).

Рисунок 13. Жидкокристаллическая ячейка: а – неупорядоченная структура

без поля; б – упорядоченная структура ори наличии электрического поля.

Они обладают текучестью подобно жидкостям, но имеют молекулярный

порядок твердых веществ. При температуре 15...70 °С под действием

электрического поля ориентация молекул изменяется, становится упорядоченной

(рисунок 13, б), а в веществе возникает специфический эффект динамического

рассеивания света (как проходящего через вещество, так и отраженного). В

результате этого коэффициент преломления изменяется, и жидкий кристалл,

непрозрачный в нормальном состоянии, начинает пропускать свет. Поскольку

жидкокристаллические ячейки сами не излучают свет, то они обычно используются

совместно с каким-либо внешним источником света.

Конструкция элементарной жидкокристаллической ячейки достаточно проста

(рисунок 14).

123

Рисунок 14. Конструкция элементарного жидкокристаллического индикатора

(жидкокристаллической ячейки): 1 – жидкий кристалл; 2 – стеклянные пластины; 3 –

прозрачный электрод; 4 – изоляционная прокладка; 5 – прозрачный или

отражающий электрод.

Она состоит из двух стеклянных пластин 2, покрытых с внутренней стороны

слоем электропроводного материала (3 и 5),и расположенного между ними жидкого

кристалла 1 толщиной 8...25 мкм. Один из электродов (3) (рисунок 14) прозрачен,

другой (5) (рисунок 14) — может быть либо прозрачным, если индикатор работает

на пропускание света, либо зеркальным, если индикатор работает на отражение.

Электроды 3 и 5 разделяет изоляционная прокладка 4.

Для индикации цифр используются элементы, которые состоят из восьми

сегментов (каждый сегмент – это элементарная жидкокристаллическая ячейка).

Семь из них необходимы для воспроизведения десяти цифр, а восьмой сегмент

предназначен для индикации запятой, отделяющей десятичные дроби от целых

чисел (рисунок 15).

Рисунок 15. Конструктивное оформление цифрового одноразрядного

жидкокристаллического индикатора.

124

Для получения изображения той или иной цифры необходимо воздействовать

с помощью электрического тока на определенные цифровые сегменты.

На рисунке 16 показан многоразрядный индикатор на трех

жидкокристаллических элементах.

Рисунок 16. Конструкция многоразрядного жидкокристаллического

индикатора (дисплея).

По существу, такой индикатор представляет собой простейший

жидкокристаллический дисплей компактной плоской конструкции. Следует

отметить, что, кроме цифровой .индикации, на таком дисплее могут быть

воспроизведены и более сложные знаки и символы.

Источники света, необходимые для работы индикаторов на жидких

кристаллах, можно располагать как перед ними, так и позади них. В первом случае

позади цифровых сегментов устанавливают зеркальную пластину (рисунок 17, а),

свет отражается от нее и проходит, через сегменты, прозрачность которых зависит

от величины пропускаемого через них тока. При работе индикатора в отраженных

лучах в качестве источника света можно использовать окружающее освещение.

125

Рисунок 17. Схемы, иллюстрирующие работу жидкокристаллической ячейки:

а – на отражение света; б – на пропускание света.

Во втором случае источник света (миниатюрные лампы накаливания или

люминесцентные излучатели) располагают так, как показано на рисунке 17, б.

Вместо зеркальной пластины используется матово-черная. Индикатор работает в

проходящем свете. При использовании соответствующих фильтров можно получить

цветное изображение тех или иных знаков.

Для управления работой жидкокристаллического индикатора необходимо

устройство, подключающее питающее напряжение к тому или иному сегменту по

заданной программе. С этой целью может быть использована схема, приведенная на

рисунке 18.

Рисунок 18. Схема управления жидкокристаллическим индикатором.

Здесь к каждому сегменту подводится питающее напряжение только в том

случае, если соответствующий управляющий транзистор открыт (на рисунке

показан только один транзистор VT7 седьмого сегмента). Между общим электродом

(ОЭ) и плюсом источника питания включен ограничительный резистор с

сопротивлением Rorp = 10...100 кОм. С помощью высокоомных резисторов

126

устанавливается необходимое для работы сегментов питающее напряжение

(порядка 5 В). При отпирании транзистора соответствующий цифровой сегмент

оказывается заземленным, на кристаллическую жидкость будет воздействовать

полное напряжение питания, иона станет прозрачной, что приведет к высвечиванию

той или иной цифры (знака, символа).

127


УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

1. Расскажите о назначении буквенно-цифровых индикаторов.

2. Какие физические явления положены в основу работы индикаторов на

газоразрядных приборах?

3. Как устроен газоразрядный цифровой индикатор?

4. Как устроены вакуумные люминесцентные индикаторы? На каких

физических явлениях основана их работа?

5. Дайте характеристику полупроводниковым индикаторам. Какие физические

явления положены в основу их работы?

6. Расскажите о работе светодиодов в качестве излучающих элементов

полупроводниковых индикаторов.

7. Опишите конструкцию и объясните принцип действия дисплея на

светодиодах.

8. Какими свойствами обладают жидкие кристаллы?

9. Как устроена жидкокристаллическая индикаторная ячейка?

10. Приведите схему управления жидкокристаллическим индикатором и

объясните ее работу.

128

ТЕМА: ОСНОВНІ ТЕРМІНИ І ВИЗНАЧЕННЯ В МІКРОЕЛЕКТРОНІЦІ

Наукові дослідження і розробки привели до появи мікроелектрон-них

приладів і нового напрямку в електроніці – мікроелектроніки.

Мікроелектроніка – розділ електроніки, скерований на розроблення

електронних схем, що займають мінімальні фізичні об'єми.

Мікроелектроніка вирішує такі задачі, як зниження вартості, підвищення

економічності і надійності електронної апаратури, поліпшення її технічних

показників.

Елементну базу сучасної мікроелектроніки складають інтегральні мікросхеми

(ІМС). За принципом дії ІМС аналогічні схемам на дискретних напівпровідникових

приладах і відрізняються від них лише умовами виробництва.

Першим стартовим кроком до мікроелектроніки, безсумнівно, був перехід від

електронних вакуумних ламп, у яких застосовувався принцип керування

електронними потоками у вакуумі, до твердопйльних приладів, де використовується

керування рухом рухливих носіїв зарядів у напівпровіднику.

Другим кроком у напрямку мініатюризації дискретних електронних схем був

перехід до друкованого монтажу. При цьому усі елементи схеми кріпляться на

монтажній платі своїми зовнішніми виводами, запаяними в металізовані отвори, а

з'єднання здійснюються плівковими провідниками, нанесеними безпосередньо на

поверхню плати, головна перевага друкованого монтажу – відсутність установочних

деталей, що дозволяє значно зменшити габарити схеми.

Третій важливий крок у напрямку мініатюризації електронних схем був

зроблений практично одночасно з упровадженням друкованого монтажу. У

електронних пристроях, що складаються з великого числа однотипних вузлів,

почали застосовуватися так звані друковані модулі.

Наступним, четвертим кроком і найбільшим після друкованих модулів

удосконаленням в області виробництва дискретних схем і подальшого розвитку

мікроелектроніки був винахід мікромодулів (середина 50-х pp. XX ст).

Мікромодуль – це мініатюрний модуль, що становить закінчений

функціональний і конструктивний блок радіоелектронної апаратури (підсилювач,

129

генератор тощо) або набір елементів.

На відміну від друкованих' модулів, елементи яких монтувалися в площині

ллати, у мікромодулях використано принцип об'ємного монтажу.

П'ятим, вирішальним кроком розвитку мікроелектроніки вважається

виробництво інтегральних схем (ІМС).

Інтегральна мікросхема або інтегральна схема – це електронний пристрій,

який виконує певну функцію перетворення, обробки та (чи) накопичення інформації

і має високу щільність розміщення неподільно виконаних елементів і (чи)

компонентів, які електрично з'єднані між собою таким чином, що з огляду технічних

вимог, випробувань, торгівлі та експлуатації пристрій розглядається як єдиний

виріб.

Інтегральні мікросхеми виготовляють в єдиному технологічному циклі (тобто

одночасно) на одній і тій самій несучій конструкції (підкладці або

напівпровідниковій пластині).

Поняття «інтегральна схема» відображає факт об'єднання (інтеграції) окремих

елементів і компонентів електронних схем у конструктивно єдиному приладі, а

також факт ускладнення функцій виконуваних ІМС.

У процесі виготовлення та експлуатації ІМС вживаються спеціалізовані

терміни. Виділимо найпоширеніші з них.

Елемент ІМС – це сформована в єдиному технологічному процесі частина

ІМС, яка реалізує функцію одного з електрорадіоелементів (транзистора,

конденсатора, індуктивності та ін.), виконана неподільно від кристала або підкладки

і не може бути виділена як самостійний виріб з вимогами до випробувань,

приймання, поставки та експлуатації.

Компонент ІМС – це частина ІМС, яка реалізує функцію одного з

електрорадіоелементів або їх сукупності (наприклад, мініатюрний дискретний

транзистор, конденсатор великої ємності, безкорпусна ІМС) і за вимогами до

випробувань, приймання, поставки та експлуатації може бути виділена як

самостійний виріб.

Підкладка ІМС – це конструктивна та функціональна частина ІМС,

виготовлена, як правило, з напівпровідникового або діелектричного матеріалу і

призначена для формування на її поверхні елементів ІМС, міжелементних та

130

міжкомпонентних з'єднань і контактних площинок.

Напівпровідникова пластина – заготовка з напівпровідникового матеріалу

(зазвичай це круглий диск товщиною 300...400 мкм), яку використовують для

виготовлення напівпровідникових ІМС. Цей термін вживають також до пластин із

сформованими елементами напівпровідникових ІМС.

Кристал ІМС – конструктивно виділена частина напівпровідникової пластини,

в об'ємі та на поверхні якої сформовані елементи напівпровідникової ІМС,

міжелементні з'єднання, а по периметру - контактні площинки. Кристали ІМС

одержують після закінчення повного технологічного циклу формування елементів

та різання напівпровідникової пластини, яка складається із сотень однотипних

кристалів. У кристалі формуються функціально закінчені напівпровідникові ІМС. В

іноземній літературі їх називають чипами.

Контактна площинка – це металізована ділянка на платі або на кристалі, яка

служить для приєднання зовнішніх виводів ІМС, контактів навісних компонентів, а

також для контролю її електричних параметрів і режимів. Такі елементи є у будь-

якій ІМС незалежно від технологічних та функціональних особливостей.

Корпус ІМС – це частина конструкції, яка захищає кристал або основу від

зовнішнього впливу і забезпечує з'єднання ІМС із зовнішніми електричними колами

за допомогою виводів. Інтегральні мікросхеми упаковують в корпус. Типи і розміри

корпусів ІМС є об'єктами державної стандартизації.

Мікроскладанням називають мікроелектронні вироби, які складаються з

елементів, компонентів, ІМС та інших електрорадіоелементів, з'єднаних між собою

певним способом для виконання певної функції, і розробляються конструкторами

конкретної PEA з метою поліпшення її показників в мініатюризації. З

.мікроскладань компонують мікроблоки.

Мікроблок – мікроелектронний виріб, який, крім мікроскладань, може також

мати ІМС та інші компоненти у різних поєднаннях.

Безкорпусна інтегральна схема – це ІМС широкого призначення, яку

використовують для створенні мікроскладань та мікроблоків. Така ІМС не має

власного захисту від зовнішнього впливу. Повний захист такої схеми забезпечується

корпусом пристрою, в який цю ІМС вмонтовано.

Тип ІМС – ІМС конкретного функціонального призначення і певного

131

конструктивно-технологічного та схемно-технічного вирішення, що має своє умовне

позначення.

Типономінал ІМС – ІМС конкретного типу, що відрізняються від інших

мікросхем того ж типу одним або кількома параметрами та вимогами до зовнішніх

діючих факторів.

Інтегральні мікросхеми розробляють і виготовляють серіями.

Серія ІМС – сукупність типів ІМС, які виконують різні функції, але мають

єдину конструктивно-технологічну та електричну будову, а у разі потреби -

інформаційну та програмну сумісність, і призначені для сумісного застосування в

PEA. Усі ІМС однієї серії мають зазвичай однаковий корпус.

Група типів ІМС – це сукупність типів ІМС у межах однієї серії, які мають

аналогічне функціональне призначення та принцип дії, властивості яких описуються

однаковими і близькими за складом електричними параметрами

132


ОСНОВНІ ТЕРМІНИ І ВИЗНАЧЕННЯ В МІКРОЕЛЕКТРОНІЦІ

1. Назвіть основні етапи мікроелектроніки.

2. Які особливості ІМС як нового типу електронних приладів?

3. Дайте визначення, що таке «елемент ІМС» та «компонент ІМС», поясніть їх

різницю.

4. Поясніть призначення корпуса ІМС.

5. Поясніть різницю термінів «тип ІМС» та «серія ІМС»?

133

ТЕМА: КЛАСИФІКАЦІЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ (ІМС)

Інтегральні мікросхеми поділяють за технологією виготовлення, ступенем

інтеграції, функціональним призначенням. За принципами будови та технологією

виготовлення ІМС поділяють на такі основні типи: напівпровідникові, плівкові,

гібридні, суміщені.

Напівпровідниковою називають ІМС, яка має один кристал напівпровідника, ь

об'ємі і на поверхні якого спеціальними технологічними методами сформовані всі

елементи, міжелементні з'єднання і контактні площинки.

Як приклад на рисунку 1, а показано елементи напівпровідникової ІМС, які

відповідають фрагменту електричної схеми (рисунок 1, б). Позиції на рисунках 1, 2 і

3 показують відповідні вузли електричної схеми. Основними активними елементами

напівпровідникових ІМС можуть бути БТ або ПТ. Тому розрізняють біполярні та

МДН-інтегральні схеми. Такі схеми складають основу сучасної мікроелектроніки.

Рисунок 1. Елементи напівпровідникової ІМС: а – структура електричної

схеми, сформованої за допомогою напівпровідникової технології; б – фрагмент

електричної схеми; 1, 2, 3, 4, 5 – виводи відповідно конденсатора, емітера,

колектора, резистора.

Усі елементи напівпровідникової ІМС зв'язані між собою паразитними

ємностями та провідностями, що зумовлено щільним упакуванням елементів і

недосконалістю методів ізоляції. Перевагами напівпровідникових ІМС є вища

надійність (менше контактних з'єднань), більша механічна міцність, зумовлена

меншими розмірами елементів (приблизно на порядок), менша собівартість завдяки

134

ефективному використанню переваг групової технології.

Напівпровідникові ІМС (особливо цифрові) з БТ вирізняються високою

швидкодією, а з МДН-транзисторами – високою щільністю упакування,

мінімальною потужністю споживання та низькою вартістю виготовлення. Аналогові

ІМС з ПТ мають великий вхідний опір (понад 109 Ом).

Плівкова ІМС – це мікросхема, елементи та міжелементні з'єднання якої

виконано за допомогою плівок необхідної форми з різними електрофізичними

властивостями на поверхні діелектричної підкладки або діелектричної плівки.

Залежно від способу формування плівок і відповідно їхніх товщин розрізняють

тонкоплівкові ІМС (товщина плівок 1...2 мкм) та товстоплівкові ІМС (товщина

плівок 10...20 мкм і більше). Плівкова технологія не дозволяє одержувати активні

елементи із задовільними параметрами. Суто плівкові схеми є пасивними ІМС (це

здебільшого резистивні подільники напруги, набір резисторів та конденсаторів,

резистивно-ємнісні схеми). Плівкові інтегральні елементи найчастіше

використовують разом мініатюрними дискретними електрорадіоелементами –

компонентами.

Тонкоплівкові ІМС мають ряд переваг перед товстоплівковими: без пригонки

можна одержати вужчі допуски на номінали елементів (резисторів і конденсаторів),

досягається вища щільність упакування елементів на підкладці.

Гібридною ІМС (TIC) називають ІМС, яка має діелектричну основу, пасивні

елементи (R, C, L) на її поверхні формують у вигляді одношарових або

багатошарових плівкових структур, з'єднаних нерозривними плівковими

провідниками, а напівпровідникові прилади (активні елементи), у тому числі

безкорпусні ІМС (кристали) та інші компоненти (мініатюрні конденсатори,

резистори й індуктивності великих номіналів) розміщені на основі у вигляді

дискретних навісних деталей. Структуру такої ІМС, що відповідає фрагменту

електронної схеми рисунку 1, б, показано на рисунку 2. До гібридних належать

також мікросхеми, які складаються з кількох кристалів, з'єднаних між собою і

змонтованих в одному корпусі (багатокристальні ІМС).

135

Рисунок 2. Структура ПС.

Гібридні ІМС поступаються напівпровідниковим за надійністю, щільністю

упакування та собівартістю, але мають в ряді випадків особливі схемотехнічні

переваги завдяки широкій номенклатурі навісних компонентів (транзисторів,

мікроіндуктивностей, конденсаторів великої ємності та ін.).

Гібридна технологія дуже гнучка. Вона дозволяє порівняно швидко

створювати електронні пристрої, що виконують досить складні функції. Комплект

обладнання для виготовлення ПС дешевші, ніж для виготовлення

напівпровідникових ІМС, а сам технологічний процес набагато простіший, тому

освоєння гібридної технології посильне майже для будь-якого радіоелектронного

підприємства.

Перевагою гібридної технології є також більший відсоток виходу придатних

ІМС (60...80 % порівняно з 5...30 % для напівпровідникових). Завдяки малим

паразитним ємностям та надійній ізоляції між елементами і компонентами ГІС має

кращі електричні властивості. На таких схемах найчастіше створюють аналогову

апаратуру, в якій використовують конденсатори великої ємності, високоомні,

високостабільні або прецизійні резистори.

У суміщених ІМС активні елементи виконано в поверхневому шарі

напівпровідникового кристала (як у напівпровідниковій ІМС), а пасивні нанесено за

допомогою плівок на попередньо ізольовану поверхню того самого кристала (див.

рисунок 1, б і рисунок 3). Таку технологію використовують для створення ІМС з

високими номіналами і високою стабільністю опорів та ємностей, що легше

забезпечити плівковими елементами, ніж напівпровідниками.

Виготовляючи всі типи ІМС, міжз'єднання елементів виконують за допомогою

тонких металевих смужок, які напилюють або наносять на поверхню підклади, що в

потрібних місцях контактують з елементами. Процес нанесення цих з'єднувальних 136

смужок називають металізацією, а сам «рисунок» міжз'єднань – металевою

розводкою.

Рисунок 3. Структура суміщеної ІМС.

За характером виконуваних функцій ІМС поділяють на дві категорії: аналогові

та цифрові.

Аналогові ІМС виконують функції перетворення та обробки електричних

сигналів, які змінюються за законом неперервної функції. їх застосовують як

підсилювачі, генератори гармонічних сигналів, детектори, стабілізатори напруги,

фільтри тощо.

Цифрові ІМС призначені для обробки та перетворення електричних сигналів,

що змінюються за законом дискретної функції. Активні елементи в таких ІМС

працюють у ключовому режимі і забезпечують два стани схем: «Відкрито» і

«Закрито» (насичення та відсікання).

Кількісно рівень розвитку інтегральної техніки та складності ІМС визначають

показником, який називається ступенем інтеграції (К). Він враховує сумарну

кількість елементів і компонентів N, які знаходяться в ІМС і визначається за

формулою К = lg N. При цьому ІМС з кількістю елементів близько 10 – це

мікросхеми першого ступеня інтеграції, з кількістю 11...100 – другого ступеня, з

кількістю елементів 101...1000, 1001...10000, 10001... 100000 – мікросхеми третього

четвертого і п'ятого ступенів інтеграції відповідно. Обчислюючи К, його

заокруглюють до найближчого більшого цілого числа.

Широко вживають також терміни: мала ІМС (МІС), середня ІМС (СІС), велика

ІМС (ВІС), і надвелика ІМС (НВІС).

Мала інтегральна схема має до 100 елементів включно. До СІС належать

137

цифрові ІМС з кількістю елементів 101...1000 включно і аналогові ІМС з кількістю

елементів 101...500 включно.

Велика інтегральна схема має 1000...10000 елементів включно: для ЦІС з

регулярною структурою побудови, 500...50000 елементів включно для ЦІС з

нерегулярною структурою побудови та 500...1000 включно для аналогових ІМС.

До ЦІС з регулярною структурою побудови належать схеми запам'ятовувачів

та схеми на основі базових матричних кристалів, а до ЦІС з нерегулярною

структурою побудови – схеми обчислювачів.

До НВІС належать: ЦІС з регулярною структурою з кількістю елементів понад

100000, ЦІС з нерегулярною структурою з кількістю елементів понад 50000 та

аналогові ІМС із кількістю елементів понад 10000.

Більшість аналогових ІМС належать до МІС та СІС, але виготовляють

гібридні ВІС, а також надвеликі ГІС.

Цифрові ІМС, які містять логічні елементи, тригери і прості цифрові пристрої,

являють собою малі та середні мікросхеми, а складні обчислювальні комплекти

(мікропроцесори) та запам'ятовувальні пристрої – ВІС та НВІС.

Досягнення мініатюризації ІМС оцінюють щільністю упакування. Цей

показник визначають відношенням сумарної кількості елементів ІМС та (чи)

елементів, які є у складі компонентів, до об'єму ІМС.

Система умовних позначень і корпуси інтегральних мікросхем

Повне умовне позначення ІМС складається із чотирьох елементів. Перший

елемент – цифра; що характеризує групу ІМС за конструктивно-технологічним

виконанням: 1, 5, 7 – напівпровідникові; 2, 4 – гібридні; 3 – інші (плівкові, вакуумні,

керамічні тощо); 8, 9, 0 – резерв.

Другий елемент – цифра, що характеризує підгрупу ІМС за конструктивно-

технологічним виконанням.

Третій елемент – одна або дві цифри, що позначають порядковий номер

розробки серії ІМС.

Четвертий елемент – дві літери, що визначають групу та вид ІМС за

функціональним призначенням. Для ідентифікації цих літер, тобто визначення

138

групи ІМС (генератори, логічні схеми, підсилювачі) та виду (генератор гармонічних

сигналів, елемент «НІ»), необхідно скористатися таблицями, які в повному обсязі

наводяться в довідниках та державному стандарті ДСТУ 3212-95 [10].

Назви деяких широко вживаних груп і видів ІМС наведено в таблиці 1.

П’ятий елемент – дві цифри, що позначають порядковий номер розробки ІМС

за функціональним призначенням у даній серії.

Три перші елементи позначають серію ІМС. Наприклад, мікросхема 140УД7 -

інтегральний напівпровідниковий операційний підсилювач (УД) з порядковим

номером розробки 40 серії 140 з порядковим номером розробки даної схеми в серії

за функціональною ознакою 7.

Таблиця 1 – Групи і види ІМС за функціональним призначенням

Група і літерне

позначення

Вид і літерне позначення

елементів

Літерне позначення

групи та виду

І - И ЛИ

Н1 - Н ЛН

АБО - Л ЛЛ

1 - НІ - А ЛА

АБО – НІ - Е ЛЕ

І - АБО - С ЛС

Логічні елементи «Л»

І - АБО - НІ - Р ЛР

Високої частоти - В УВ

Низької частоти - Н УН

Підсилювачі «У»

Операційні та диференціальні - Д УД

Гармонічних сигналів - С ГС Генератори «Г»

Прямокутних сигналів - Г гг

Для врахування розкиду електричних параметрів ІМС у межах даного

типономіналу в кінці умовного позначення може бути добавлена літера. В умовних

позначеннях ІМС широкого застосування на початку позначення ставиться літера К.

Після цієї літери може бути також наведено умовне позначення корпусу мікросхеми

(пластмасовий - П, керамічний - І). Літера Б відповідає безкорпусному варіанту

139

ІМС.

В умовне позначення безкорпусних ІМС вводиться через дефіс цифра, яка

характеризує конструктивні особливості мікросхеми: 1 - з гнучкими виводами, 2 - із

стрічковими (павучковими) виводами, 3 - із жорсткими виводами, 4 - на спільній

пластині (нерозділені), 5 - розділені без втрати орієнтації, 6 - з контактними

площинками без виводів (кристал), наприклад, КБ710УД4-4.

Промисловість випускає корпуси ІМС круглої та прямокутної форми (рисунок

4). Корпус круглої форми – це модифікований металоскляний корпус транзисторів із

збільшеною кількістю виводів. Спочатку кількість виводів було збільшено до 8, а

потім до 12 (рисунок 4, в).

Рисунок 4. Ескізи конструкцій корпусів: а – корпус першого типу; б – корпус

другого типу; в – корпус третього типу; г – корпус четвертого типу; д – корпус

п'ятого типу.

Прямокутні корпуси поділяють на дві основні групи: з планарними виводами,

розміщеними в площі корпусу, та із штирьовими виводами. У поперечному розрізі

виводи можуть бути круглої, квадратної або прямокутної форми.

Функціональні ознаки інтегральних схем наведені в таблиці 2.

140

Таблиця 2 – Функціональні ознаки інтегральних схем

Назва мікросхеми Літерне позначення

Функціональне призначення Літерне позначення

1 2 3 4 Імпульси прямокутної форми Г Формувач сигналу А Імпульси спеціальної форми Ф

Пасивна М Схема затримки Б Активна Р Гармонійного сигналу С Прямокутного сигналу Г

Лінійно-змінного сигналу Л Генератор сигналу Г

Сигналів спеціальної форми Ф Амплітудний А Частотний С Детектор Д Фазовий Ф

Випростувальне В Стабілізатор напруги Н Джерело живлення Е Стабілізатор струму Т

Регістр Р Суматор М Лічильник Е Шифратор В

Дискретний пристрій І

Дешифратор Д Напруги Н Комутатор К Струму Т

Елемент ГНЕ А Елемент АБО-НЕ Е

Елемент І І Елемент АБО Л Елемент НЕ Н

Логічний елемент Л

Елемент ГАБО С Амплітудний А Частотний С Фазовий Ф Модулятор М

Імпульсний І Діоди Д

Транзистори Т Резистори Р

Конденсатори Е Набір елементів Н

Частоти С Напруги Н

Код-аналог А Перетворювач інформації П

Аналог-код В

141

Матриця нагромаджувальна: ОЗП М Елемент запам'ятову-

вального пристрою Р ПЗП В

Амплітуди А Часу В

Частоти С Схема порівняння С

Фази Ф Типу JK В

RS Р D М Т Т

Тригер Т

ІІІмітта Л Високої частоти В Низької частоти Н

Постійного струму Т Підсилювач У

Операційний Д Верхніх частот В Нижніх частот Н Фільтр Смуговий Е Аналогові А Багатофункціональні

схеми Ч Цифрові Л

142


КЛАСИФІКАЦІЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ

1. Перелічіть ознаки, за яким поділяють ІМС?

2. На які види поділяються ІМС за технологією виготовлення?

3. Як класифікують ІМС за ступенем інтеграції?

4. Чим відрізняються аналогові та цифрові ІМС?

5. Користуючись довідником, розшифруйте позначення ІМС:

140УД7; КБ710УД4; К155ЛА3

143

ТЕМА: ОСНОВНІ ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ВИГОТОВЛЕННЯ

НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ІНТЕРГАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ (ІМС)

Розрізняють два класи напівпровідникових ІМС: біполярні та на МДН-

структурах. Поєднання біполярних та МДН-транзисторів на одному кристалі є

особливим випадком.

Технологія напівпровідникових ІМС обох класів грунтується на почерговому

легуванні напівпровідникової (кремнієвої) пластини донорними та акцепторними

домішками, внаслідок чого під поверхнею виникають тонкі прошарки з різними

типами провідності та p-n-переходи на межах прошарків. Окремі прошарки

використовуються як резистори, а р-п-переходи – в діодних та транзисторних

структурах.

Легування пластини доводиться здійснювати локально, тобто на окремих

ділянках, розділених досить великими відстанями. Локальне легування здійснюється

за допомогою спеціальних масок з отворами, через які атоми домішок проникають у

пластину на потрібні ділянки. Під час виготовлення напівпровідникових ІМС роль

маски виконує плівка двоокисиду кремнію SiО2, яка покриває поверхню кремнієвої

пластини. У цій плівці спеціальними методами гравірують відповідну сукупність

отворів або потрібний «малюнок». Отвори в масках, зокрема, в оксидній плівці,

називають вікнами. Коротко охарактеризуємо складові частини (елементи) двох

основних класів напівпровідникових ІМС.

Основним елементом біполярних ІМС є п-p-п-транзистор: на його

виготовлення орієнтується весь технологічний цикл. Усі інші елементи потрібно

виготовляти, по можливості, одночасно із цим транзистором без додаткових

технологічних операцій. Так, резистори виготовляють одночасно з базовим

прошарком п-р-п-транзистора і тому вони мають таку саму глибину, що і базовий

прошарок. Як конденсатори використовують зміщені у зворотному напрямі р-п-

переходи, в яких п-прошарки відповідають колекторному прошарку п-р-п-

транзистора, а р-прошарки – базовому.

Основним елементом ІМС на основі МДН-структур є МДН-транзистор з

індукованим каналом. Роль резисторів виконують транзистори, які вмикають за

144

схемою двополюсника, а роль конденсаторів – МДН-структури, в яких прошарок

діелектрика отримують одночасно з підзатворним прошарком транзистора, а

напівпровідникову обкладку – одночасно з прошарками витоку та стоку. Елементи

біполярної ІМС необхідно тим чи іншим способом ізолювати один від одного для

запобігання їх взаємодії через кристал. Елементи МДН ІМС не потребують

спеціальної ізоляції, оскільки немає взаємодії між суміжними МДН-транзисторами,

їх можна розміщувати на мінімальній відстані один від одного. Це – одна з головних

переваг МДН ІМС порівняно з біполярними.

Характерна особливість напівпровідникових ІМС полягає в тому, що серед

елементів немає котушок індуктивності і, тим більше, трансформаторів. Це

пояснюється тим, що до цього часу не вдавалося використати у твердому тілі будь-

яке фізичне явище, еквівалентне електромагнітній індукції. Тому, розробляючи

ІМС, намагаються реалізувати необхідну функцію без використання

індуктивностей, що в більшості випадків вдається. Якщо ж котушка індуктивності

або трансформатор принципово необхідні, їх доводиться використовувати у вигляді

навісних компонентів.

Розміри кристалів сучасних напівпровідникових ІМС знаходяться в межах від

1,5×1,5 мм2 до 6×6 мм2. Чим більша площа кристала, тим складнішу і більш

багатоелементну ІМС можна на ньому розташувати. На заданій площі кристала

можна збільшити кількість елементів, зменшуючи їх розміри та відстані між ними.

Процес виготовлення сучасних напівпровідникових ІМС дуже складний. Його

проводять тільки в спеціальних герметичних приміщеннях на спеціалізованому

обладнанні. Технологія напівпровідникових ІМС розвинулася на основі планарної

технології транзисторів, у якій, в свою чергу, втілено весь попередній досвід

виготовлення напівпровідникових приладів.

Розглянемо типові технологічні процеси, які використовуються для

виготовлення напівпровідникових ІМС.

Підготовчі операції.

Монокристалічні злитки кремнію, як і інші напівпровідники, отримують

кристалізацією з розплаву методом Чохральского. Типовий діаметр злитків складає

80 мм, а максимальний досягає 120 мм і більше. Довжина злитків може становити

145

1...1,5 м, але зазвичай вона в кілька разів менша. Злитки кремнію ріжуть на багато

тонких пластин (товщиною 0,4...0,5 мм), на яких потім виготовляють інтегральні

схеми та інші прилади. Поверхня пластин після різання досить нерівна: розміри

подряпин, виступів та ямок набагато перевищують розміри майбутніх елементів

ІМС. Тому перед початком основних технологічних операцій пластини багаторазово

шліфують, а потім полірують. Шліфування, крім вилучення механічних дефектів,

забезпечує потрібну товщину пластини (200...300 мкм) та паралельність площин.

Поліруванням вилучають порушені прошарки та усувають нерівності поверхонь до

рівня оптичних систем - соті частки мікрона. Крім механічної, використовують

хімічне полірування (травлення), тобто по суті розчинення поверхневого прошарку

напівпровідника в тих або інших реактивах. Паралельність площин пластини, що

досягається шліфуванням та поліруванням, складає одиниці і навіть частки мікрона

на сантиметр довжини.

Епітаксія (від грец. ері - над, taxis - упорядковане розміщення) – це процес

нарощування монокристалічних прошарків на підкладку, під час якого

кристалографічна орієнтація прошарку, що нарощується, повторює

кристалографічну орієнтацію підкладки. Епітаксію зазвичай використовують для

отримання тонких робочих прошарків однорідного напівпровідника на порівняно

товстій підкладці, яка виконує роль несучої конструкції. Епітаксія дозволяє

нарощувати монокристалічні прошарки будь-якого типу провідності та будь-якого

питомого опору на підкладці, що також має будь-який тип і значення провідності.

Епітаксійне нарощування провадять у спеціальних печах при температурі

близько 1200 °С. Швидкість нарощування товщини плівки – декілька мікрон за

хвилину. Межа між епітаксійним прошарком та підкладкою не виходить ідеально

чіткою, оскільки домішки в процесі епітаксії частково дифундують з одного

прошарку в інший. Ця обставина ускладнює створення надтонких (менше 1 мкм) та

багатопрошаркових епітаксіальних структур. Отримання таких тонких однорідних

прошарків (1...10 мкм), які забезпечує епітаксія, неможливе іншими способами.

Однопрошаркова епітаксія значно доповнила арсенал напівпровідникової

технології.

146

Термічне окиснення кремнію – це один із самих характерних процесів у

технології ІМС. Отримана при цьому плівка двооксиду кремнію SiO2 виконує

декілька важливих функцій, а саме: функцію захисту, функцію маски, через вікна

якої вводяться необхідні домішки, функцію тонкого діелектрика під затвором МОН-

транзистора.

Такі широкі можливості двооксиду кремнію - одна з причин того, що кремній

став основним матеріалом для виготовлення напівпровідникових ІМС. Штучне

окиснення кремнію здійснюють зазвичай при високій температурі (1000...1200 °С).

Товщина оксиду – близько одного мікрона.

Легування.

Упровадження домішок у напівпровідникову пластину (або в епітаксійний

прошарок) за допомогою дифузії при високій температурі є одним з основних

способів легування напівпровідників з метою створення діодних і транзисторних

структур. Ідея використання дифузійних методів для змінювання провідності

кремнію або германію виникла ще в 1952 р. Відтоді було запропоновано чимало

різних способів уведення легувальних домішок у кремній дифузією. Призначення

цих способів полягає у керуванні концентрацією легувальних домішок, підвищенні

однорідності легування та відтворенні процесу. Широкого поширення набув такий

спосіб легування, як іонна імплантація. Дифузія може бути загальною та локальною.

Загальна дифузія здійснюється по всій поверхні пластини, а локальна – на певних її

ділянках через вікна в масці, наприклад, у прошарку SіО2. Загальна дифузія

зумовлює створення в пластині тонкого дифузійного прошарку, який відрізняється

від епітаксійного неоднорідним (за глибиною) розподілом домішок. У випадку

локальної дифузії домішки розповсюджуються не тільки в глибину пластини, але й в

усіх перпендикулярних напрямах, тобто під маску. Дифузію можна провадити

одноразово та багаторазово. Домішки, які впроваджуються дифузією, називають

дифузантами (бор, фосфор, арсен та ін.).

Іонна імплантація.

Іонною імплантацією називають метод легування пластин (або епітаксійного

прошарку) бомбардуванням іонами домішок, прискореними до енергії, достатньої

147

для їх впровадження в глибину твердого тіла.

Іонізація атомів домішок, прискорення іонів та фокусування іонного пучка

здійснюється в спеціальних приладах типу прискорювачів частинок в ядерній

фізиці. Як домішки використовують ті самі матеріали, що і при дифузії.

Глибина впровадження домішок іонів залежить від їхньої енергії та маси

(0.1...0,4 мкм). Чим більша енергія, тим отримується більша глибина імплантованого

прошарку.

Концентрація домішок в імплантованому прошарку залежить від густини

струму в іонному пучку та тривалості процесу або від часу експозиції. Залежно від

густини струму та бажаної об'ємної концентрації час експозиції становить від

кількох секунд до 3...5 хв і більше (іноді до 1...2 год).

Оскільки площа іонного пучка (1...2 мм2) менша за площу пластини (а іноді і

кристала), доводиться сканувати пучок, тобто повільно або «кроками»

переміщувати його (за допомогою спеціальних відхилювальних систем).

Іонна імплантація так, як і дифузія, може бути загальною та локальною

(вибірковою). У разі локальної імплантації опромінення (бомбардування)

здійснюється через маски.

Перевагами іонної імплантації є низька температура процесу та його добра

контрольованість. Низька температура забезпечує можливість проведення іонної

імплантації на будь-якому етапі технологічного циклу, не викликаючи при цьому

додаткової дифузії домішок у заздалегідь виготовлених прошарках.

Травлення.

Цей процес асоціюється з використанням спеціальних розчинів –

протравлювачів для загального або локального вилучення поверхневого прошарку

твердого тіла на ту чи іншу глибину. Рідинні протравлювачі залишаються головним

засобом для досягнення заданої мети. Однак у технології мікроелектроніки

з'являються й інші аналогічні засоби, тому в загальному випадку травлення можна

розглядати як немеханічні засоби зміни рельєфу поверхні твердого тіла.

Класичний процес хімічного травлення складається із хімічної реакції

рідинного протравлювача з твердим тілом з утворенням розчинної сполуки, яку

змішують з протравлювачем і в подальшому вилучають разом з ним. Перехід

148

поверхневого прошарку твердого тіла в розчин означає вилучення цього прошарку.

Проте на відміну від механічного вилучення травлення забезпечує значно більшу

прецизійність процесу: стравлювання відбувається повільно - один молекулярний

прошарок за іншим. Підбираючи протравлювач, його концентрацію, температуру та

час травлення, можна дуже точно регулювати товщину прошарку, який вилучається.

Наприклад, у процесі хімічного поліруванння пластини кремнію з використанням

відповідного протравлювача можна забезпечити швидкість травлення 0,1 мкм/хв,

тобто за 20...30 с зняти прошарок товщиною всього 40...50 нм. Для більшої

рівномірності травлення та вилучення продуктів реакції з поверхні ванночку з

розчином обертають в нахиленому положенні (динамічне травлення) або вводять в

розчин ультразвуковий вібратор (ультразвукове травлення).

Електролітичне травлення вирізняється тим, що хімічна реакція рідини з

твердим тілом та утворення розчинної сполуки здійснюються в умовах проходження

струму крізь рідину, причому тверде тіло виконує роль одного з електродів - анода.

Перевагою електролітичного травлення є можливість регулювати швидкість

травлення змінюванням струму в колі та припиняти процес його вимиканням.

Іонне травлення (один із специфічних процесів у мікроелектрониці) не

пов'язане з використанням рідини. Пластина кремнію вводиться в розріджений

простір, в якому поруч з пластиною утворюється жевріючий розряд. Простір

жевріючого розряду заповнений квазінейтральною електронно-іонною плазмою. На

пластину подається досить великий негативний потенціал. У результаті позитивні

іони плазми бомбардують поверхню пластини і прошарок за прошарком вибивають

атоми з поверхні, тобто травлять її. Аналогічним способом досягається очищення

поверхні від забруднення – іонне очищення. Іонне травлення, як і хімічне, може

бути загальним та локальним. Основною перевагою іонного травлення є його

універсальність (не потребує індивідуального кропіткого підбору протравлювачів

для кожного матеріалу), а недоліками – дорогі прилади і значні витрати часу на

створення в них необхідного вакууму.

Широко використовуються методи так званого анізотропного травлення. Ці

методи ґрунтуються на тому, що швидкість хімічної реакції, яка є характерною для

класичного травлення, залежить від кристалографічного напряму.

149

Техніка масок.

У технології напівпровідникових приладів важливе місце займають маски:

вони забезпечують локальний характер розпилення, легування, травлення, а в

деяких випадках і епітаксії. Будь-яка маска має сукупність заздалегідь

спроектованих отворів – вікон. Виготовлення таких вікон є завданням літографії. Це

– процес перенесення геометричного рисунка шаблону на поверхню кремнієвої

пластини. За допомогою цього рисунка формують такі елементи схеми, як

електроди затвора, контактні площинки, металеві міжелементні та міжкомпонентні

з'єднання тощо. Більшість методів літографії створено в останні десятиріччя, хоча

процес літографії відомий давно – його запропоновано ще в 1798 р. Тоді рисунок

переносили з поверхні каменя (від герц, lithos - камінь). Ведуче місце в технології

виготовлення масок належить фотолітографії.

Фотолітографія.

Комплекс фотоліграфічних процесів повторюється в технологічному процесі

виготовлення напівпровідникових мікросхем неодноразово (від 3 до 14 разів). В

основі фотолітографії лежить використання матеріалів, які називають

фоторезистами. Це різновид фотоемульсій, відомих у звичайній фотографії.

Фоторезисти чутливі до ультрафіолетового світла, тому їх можна обробляти в не

дуже затемненому приміщенні. Фоторезисти бувають негативні та позитивні.

Негативні фоторезисти під дією світла полімеризуються і стають стійкими до

протравлювачів (кислотних і лужних). Тому після локального засвітлення будуть

витравлюватися незасвітлені ділянки (як у звичайному фотонегативі). У позитивних

фоторезистах світло навпаки руйнує полімерні ланцюжки і тому будуть

витравлюватися засвітлені ділянки.

Рисунок майбутньої маски виготовляють у вигляді так званого фотошаблону.

Фотошаблон являє собою товсту скляну пластину, на один бік якої нанесено тонку

непрозору плівку з необхідним рисунком у вигляді прозорих отворів. Розміри цих

отворів (елементів рисунка) у масштабі 1:1 відповідають розмірам майбутніх

елементів ІМС, тобто можуть складати 20...50 мкм і менше (до 2...3 мкм). Оскільки

ІМС виготовляють груповим методом, на фотошаблоні по «рядках» та «стовпчиках»

розмішують багато однотипних рисунків, розмір кожного з яких відповідає розміру

150

майбутнього кристала.

Процес фотолітографії для отримання вікон в окисненій масці SіО2. (рисунок

1, а), що покриває поверхню кремнієвої пластини, складається з таких основних

операцій. Кожного разу на окиснену поверхню пластини наноситься крапля

фоторезисту. За допомогою центрифуги краплю розтягують тонким прошарком

(близько 1 мкм) по всій поверхні (рисунок 1, б). Отриману плівку фоторезисту

висушують до затвердіння. На пластину, покриту фоторезистом, накладають

фотошаблон (рисунком до фоторезисту) та експонують його у променях кварцової

лампи. Після цього фотошаблон знімають (рисунок 1, в).

Рисунок 1. Процес фотолітографічного перенесення зображення: а – кремнієва

пластина з прошарком SiO2; б – нанесення однорідної плівки фоторезисту; в –

експонування фоторезисту через фотошаблон ультрафіолетовим випроміненням; г –

після витравлення опромінених ділянок позитивного фоторезисту; д – травлення

SiC2 до кремнію; е – видалення фоторезисту.

Якщо використовується позитивний фоторезист, то після проявлення та

закріплення (задублювання та термообробки фоторезисту) в ньому отримуються

вікна на тих місцях, які відповідають прозорим ділянкам на шаблоні, тобто рисунок

перенесено із фотошаблону на фоторезист. Тепер прошарок фоторезисту являє

собою маску, яка щільно прилягає до окис-неного шару (рисунок 1, г).

Через фоторезистну маску здійснюється травлення окисненого прошарку аж

151

до кремнію (на кремній цей протравлювач не діє). У результаті рисунок із

фоторезисту переноситься на окисел (рисунок 1, д). Після вилучення (витравлення)

фоторезистної маски кінцевим результатом фотолітографії є кремнієва пластина,

покрита маскою SіО2 (рисунок 1, е). Через неї можна здійснювати дифузію, іонну

імплантацію, травлення тощо. У технологічних циклах виготовлення діодів,

транзисторів і особливі ІМС процес фотоліграфії використовують багаторазово

(окремо для отримання базових прошарків, емітерів, омічних контактів і т. ін.). При

цьому виникає проблема суміщення фотошаблонів.

Фотошаблони.

Першим етапом процесу виготовлення фотошаблонів є накреслення оригіналу.

Оригінал являє собою рисунок одного з елементів фотошаблона, збільшений в

масштабі від 100:1 до 1000:1. Таким чином, мікроскопічному прямокутнику

розміром 10×20 мкм на фотошаблоні відповідає на оригіналі прямокутник 2×4 мм

або 5×10 мм залежно від обраного збільшення. Прямокутники таких розмірів можна

виконувати з великою точністю (нерівність меж не перевищує ±25 мкм, тобто кілька

відсотків). Якщо розміри кристала 1,5×1,5 мм, то розміри оригіналу можуть бути

50x50 см і більше. Оригінали виготовляють на координатографах.

Наступним етапом літографії є проміжна зйомка оригіналу, тобто його

фотографування на скляну фотопластинку зі зменшенням (редукуванням)

зображення в 10...20 разів. З особливо великими масштабами оригіналу проміжних

відзйомів із сумарним редукуванням у 50...100 разів буває два.

Заключним етапом є фінальний відзйом з одночасним розмноженням

(мультиплікацією) малюнка по шаблону. Мультиплікацію здійснюють за допомогою

фотоштампів – фотоапаратів, у яких передбачено крокове пересування

фотопластинки у фокальній площині. Фотошаблони виготовляють комплектами за

кількістю операцій фотолітографії в технологічному циклі.

Описані методи довгий час були основою мікроелектонної технології. Вони і

дотепер не втратили свого значення. Проте в міру підвищення ступеня інтеграції та

зменшення розмірів елементів ІМС виникли проблеми, які частково вже вирішені, а

частково вивчаються. Фотолітографії властиві обмеження, які посилюються з

прогресом електроніки. Одне з принципових обмежень стосується роздільної

152

здатності, тобто мінімальних розмірів у створеному рисунку маски. Річ у тім, що

довжини хвиль ультрафіалетового випромінювання становлять 0,2...0,3 мкм. Отже,

яким би малим не був отвір в рисунку шаблона, розміри зображення цього отвору в

фоторезисті не можуть досягати вказаних значень (через дифракцію). Тому

роздільна здатність фотоліграфії оцінюється як 1000 ліній/мм (мається на увазі

отримання у фоторезисті розділених вікон – смужок шириною 0,5 мкм). Після

проявлення і травлення SiO2 роздільна здатність знижується до 250...500 ліній/мм і

розміри близько 1...2 мкм вже виявляються малими для створення ВІС та НВІС.

Найдоцільнішим методом підвищення роздільної здатності літографії є

використання для експозиції більш короткохвильового випромінювання, наприклад,

«м'якого» ренгенівського (з довжиною хвиль 1...2 нм).

Одним із слабких місць класичної фотолітографії є механічний контакт

фотошаблона з пластиною, покритою фоторезистором. Такий контакт ніколи не

може бути досконалим і супроводжуватиметься різними спотвореннями рисунка.

Конкуруючим методом є проекційна фотолітографія, в якій рисунок фотошаблона

проектується на пластину за допомогою спеціальної оптичної системи.

Розроблено також методи електронної літографії, сутність яких полягає у

скануванні сфокусованого пучка електронів (тобто у переміщенні «порядково») по

поверхні пластини, покритої резистом, і керуванні інтенсивністю пучка за заданою

програмою. У тих точках, які повинні бути «засвітлені», струм пучка максимальний,

а в тих, які повинні бути «затемнені», – мінімальний або дорівнює нулю.

Одна з різновидностей електронної літографії грунтується на відмові від

резистивних масок і передбачає вплив електронного пучка безпосередньо на

окисний прошарок SiO2. Виявляється, що в місцях «засвітлення» цей прошарок у

подальшому протравлюється в декілька разів швидше, ніж на «затемнених»

ділянках.

Нанесення тонких плівок.

Тонкі плівки є основою не тільки тонкоплівкових ІМС і ГІС, але й широко

використовуються в напівпровідникових інтегральних схемах. Тому методи

отримання тонких плівок відносять до загальних питань технології

мікроелектроніки. Існують три основні методи нанесення тонких плівок на

153

підкладку та одна на одну. Вони розглядаються далі.

Металізація.

У напівпровідникових ІМС процес металізації має забезпечити омічні

контакти з прошарками напівпровідника, а також рисунок міжз'єднань і контактних

площинок.

Основним матеріалом для металізації служить алюміній. Він виявився

оптимальним завдяки таким позитивним якостям: малий питомий опір (1,7×10–6

Ом/см); добре зчеплення з оксидом SiO2 (металізація здійснюється після окиснення);

можливість зварювальних контактів з алюмінієвим та золотим проводами (при

підключенні зовнішних виводів); протикорозійний; низька вартість і т. ін.

Створюючи металеву розводку, спочатку на всю поверхню ІМС напиляють

суцільну плівку алюмінію товщиною близько 1 мкм. Ця плівка контактує з

прошарками кремнію в спеціально створених (попередньою фотолітографєю) вікнах

в оксиді. Основна ж частина алюмінієвої плівки знаходиться на поверхні оксиду.

Покриваючи плівку алюмінію фоторезистом, експонуючи його через відповідний

шаблон та проявляючи, отримують фоторезистну маску, яка захищає майбутні

смужки металізації та контактні площинки від протравлювача. Після витравлення

алюмінію з незахищених ділянок та вилучення фоторезисту залишається задана

металева розводка (рисунок 2).

Рисунок 2. Формування металевої розводки методом фотолітографії.

Ширина смужок у звичайних ІМС складає 10...15 мкм, а у ВІС – до 5 мкм і

менше. Погонний опір смужки шириною 10 мкм і товщиною 1 мкм становить 154

близько 2 Ом/мм. Типові розміри контактних площинок, до яких в подальшому

приєднуються зовнішні виводи, – 100×100 мкм. Приєднання зовнішніх виводів

безпосередньо до смужок металізації неможливе через їх малу ширину.

У рисунку міжз'єднань не може бути перехрещувань, тобто коротких

замикань. Однак в ІМС з високим ступенем інтеграції не вдається спроектувати

металеву розводку так, щоб уникнути перехрещувань. У цьому разі використовують

багатопрошаркову або багаторівневу розводку, тобто декілька «поверхів»

металізації, розділених ізолювальними прошарками.

Складальні операції.

Після закінчення усіх основних технологічних етапів (включаючи

металізацію) пластину, яка містить сотні ІМС, розділяють на окремі кристали

(чипи).

Розділення здійснюють методом скрайбування, тобто продряпуванням

вертикальних та горизонтальних рисок у проміжках між кристалами. Після

скрайбування пластину розміщують на м'якій гумовій подушці і натисненням

розламують по рисках.

Придатні кристали далі монтують у корпуси. Складання кристала у корпусі

починають з операції, яку називають посадкою на ніжку (дно корпусу). Кристал

приєднують або припаюють (легкоплавким припоєм) в середній частині ніжки.

Потім контактні площинки з'єднують із штирками – виводами корпусу.

Надійний електричний контакт між металевими деталями (у цьому випадку

контакт проводів зі штирьками та контактними площинками) може бути

забезпечений різними методами. Найбільшого поширення набув метод

термокомпресії, тобто з'єднання при достатньому тиску (притисканням деталі однієї

до одної) з підвищеною температурою (200...300 °С), яка сприяє взаємній дифузії

атомів між деталями.

Після закінчення монтажу кристала на ніжці провадять корпусування, тобто

кінцеве зовнішнє оформлення ІМС. Ніжку корпусу з'єднують з кришкою гарячим

або холодним зварюванням. Корпусування передбачає також захист кристала від

впливу зовнішнього середовища, тому його здійснюють або у вакуумі, або в

середовищі інертного газу (азоту, аргону).

155

Головна специфіка складальних операцій ІМС полягає в тому, що корпуси

ІМС багатовиводні: у простих МІС кількість виводів близько 8... 14, а у ВІС - 64 і

більше. Номенклатура корпусів для ІМС доволі різноманітна.

156


ОСНОВНІ ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ВИГОТОВЛЕННЯ

НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ІНТЕРГАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ (ІМС)

1. На які два класи поділяються напівпровідникові ІМС?

2. Який елемент є основним в ІМС на основі МДИ-структур?

3. Перелічіть етапи технологічного процесу виготовлення напівпровідникових

ІМС.

4. Яку функцію виконує плівка двооксиду кремнію?

5. Перелічіть методи легування та поясніть, чим вони відрізняються.

6. Перелічіть остани виготовлення фотошаблону.

157

ТЕМА: ОСНОВНІ ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ

ВИГОТОВЛЕННЯ ПЛІВКОВИХ ІМС

Виділяють два типи плівкових ІМС: тонкоплівкові і товстоплівкові. Технології

їх виготовлення мають суттєві відмінності і визначаються методами нанесення

плівок. Створюючи тонкі плівки, використовують фізико-хімічні процеси, а

створюючи товсті плівки – механічне нанесення і термічну обробку паст.

Нанесення тонких плівок.

Метод створення тонкоплівкових структур вибирають, виходячи з їх

функціонального призначення, характеристик і технологічнічності виготовлення. Це

передусім термічне випаровування у вакуумі, катодне, іонно-плазмове напилення та

електрохімічне нарощування. Використовують також осадження з газового

середовища і електрохімічне анодування.

Тонкоплівкові мікросхеми виготовляють за більш складною технологією, ніж

товстоплівкові. При цьому використовують специфічне дуже дороге обладнання.

Термічне (вакуумне) напилення.

Це – процес одержання плівок шляхом випаровування у вакуумі. Він має

стадію випаровування речовини та стадію конденсації її пари на підкладці. Для

випаровування речовину нагрівають проходженням крізь неї електричного струму,

бомбардуванням електронним або лазерним пучком, високочастотним полем,

електрич1 ною дугою. Нагріваючись, речовина плавиться і переходить у

пароподібний стан. Термічним випаровуванням у вакуумі одержують плівки на

установках, до яких входять такі основні вузли: пульт керування процесом

(електрична частина), система відкачування з вакуумними агрегатами і робоча

камера. Швидкість росту плівок залежно від ряду факторів (температури нагрівника,

температури підкладки, відстані від випарника до підкладки, типу матеріалу, що

напилюється тощо) знаходиться в межах від десятих часток до десятків нанометрів

за секунду.

Вакуумне осадження широко використовують для напилення металевих та

158

резистив-них плівок. Схему реалізації цього методу показано на рисунку 1.

Рисунок 1. Схема установки термічного напилення: 1 – ковпак; 2 – нагрівник;

3 – тримач; 4 – підкладка ІМС; 5 – поворотна заслінка; 6 – випарник; 7 – прокладка;

8 – опорна плита

Катодне напилення.

Для катодного напилення використовують те саме устаткування, що і для

термічного напилення (за винятком випарника). Його місце за розташуванням та

функціями займає катод, який або складається з речовини, що напилюється, або

електрично контактує з нею. Роль анода виконує підкладка разом з тримачем.

Простір під ковпаком спочатку відкачують до 10–5...10–6 мм рт. ст., а потім в нього

вводять деяку кількість очищеного нейтрального газу (частіше за все аргону),

створюючи тиск 10–1...10–2 мм рт. ст. З подачею високої (2...5 кВ) напруги на катод

(анод заземлений) у просторі анод - катод виникає аномальний жевріючий розряд,

який супроводжується утворенням квазістаціонарної електронної плазми.

Позитивні іони газу, які прискорюються полем, бомбардують катод,

вибивають з нього не тільки електрони, необхідні для підтримки розряду, але і

нейтральні атоми. Тим самим катод поступово руйнується. У звичайних газових

приладах руйнування катода неприпустиме (тому в них використовують

нормальний жевріючий розряд), але в цьому випадку вибивання атомів з катода є

корисним процесом, аналогічним випаровуванню.

Під час бомбардування катод нагрівається, що збільшує емісію вільних

електронів. Вони стикаються з атомами газу і викликають їх іонізацію. У результаті 159

бомбардування в систему поступають атоми матеріалу катода. Електричне поле

заставляє їх дрейфувати до електрода з високим позитивним потенціалом, тобто до

анода - підкладки.

Важливою перевагою катодного напилення над термічним є те, що напилення

катода не пов'язане з високою температурою/Відповідно стає

Іонно-плазмове напилення.

Головною його особливістю є те, що у проміжку між мішенню (з нанесеним на

неї матеріалом, що напиляється) та підкладкою діє незалежний «черговий» газовий

розряд. Цьому типу розряду властиві: наявність спеціального джерела електронів у

вигляді катода з розжарувачем, низькі робочі напруги (десятки вольтів) та велика

густина електронно-іонної плазми. Простір під ковпаком, як і у випадку катодного

напилення, заповнений нейтральним газом, але при меншому тиску (10–3... 10–4 мм

рт. ст.)

Процес напилення такий. На мішень відносно плазми подається від'ємний

потенціал (2...3) кВ, достатній для виникнення аномального жевріючого розряду та

інтенсивного бомбардування мішені позитивними іонами плазми. Атоми мішені, що

вибиваються, потрапляють на підкладку й осаджаються на ній. Отже, принципових

розбіжностей між процесами катодного та іонно-плазмового напилення немає.

Розрізнюються вони лише конструкцією приладів; їх називають відповідно двох- та

трьохелектродними. Рівномірність нанесення плівок у цьому випадку досягає 1...2

%, що значно вища, ніж це досягається катодним напиленням. Крім того,

одержується дуже висока міцність зчеплення плівки з підкладкою.

Початок і кінець процесу напилення визначають вмиканням та вимиканням

напруги на мішені. Це безінерційний процес. Якщо передбачити механічну заслінку,

то її наявність дозволить реалізувати важливу додаткову можливість, а саме: якщо

до початку напилення закрити заслінку і подати потенціал на мішень, то

відбувається іонне очищення мішені. Таке очищення корисне для підвищення якості

плівки, що напилюється. Аналогічно очищення можна здійснювати на підкладці,

подаючи на неї (до напилення плівки) негативний потенціал.

Варіант реактивного (хімічного) іонно-плазмового напилення надає такі самі

можливості отримання оксидів, нітридів та інших сполук, що і реактивне катодне

160

напилення.

Перевагами іонно-плазмового методу над катодним є: більша швидкість

напилення та більша гнучкість процесу (іонного очищення), можливість вимкнення

робочого кола без переривання розряду і т. ін. Крім того, на якість плівок впливає

більш високий вакуум.

Електрохімічне осадження.

Цей метод отримання плівок відрізняється від попередніх тим, що робочим

середовищем є рідина. Однак характер процесів схожий з іонно-плазмовим

напиленням, оскільки і плазма, і електроліт являють собою квазінейтральну суміш

іонів та неіонізованих молекул або атомів. А головне, осадження відбувається так

само повільно, як і напилення, тобто створює можливість отримання тонких плівок.

Електрохімічне осадження історично розвинулося значно раніше від усіх

інших розглянутих методів – ще в IX ст. Уже десятки років тому воно широко

використовувалося в машинобудуванні для створення різних тонких гальванічних

покриттів (нікельованих, хромованих та ін.). У мікроелектроніці електрохімічне

осадження не є альтернативою термічному та іонно-плазмовому напиленню; воно

доповнює їх та поєднується з ними.

В основі електрохімічного осадження лежить електроліз розчину, який містить

іони необхідних домішок. Наприклад, якщо треба осаджати мідь, використовують

розчин мідного купоросу, а якщо золото або нікель – розчини відповідних солей.

Значна перевага електрохімічного осадження перед напиленням полягає в

набагато більшому швидкоперебігу процесу, який до того ж легко регулюється

зміною струму. Тому основна сфера використання електролізу в мікроелектроніці -

це отримання порівняно товстих плівок (10...20 мкм і більше). Якість (структура)

таких плівок гірша від отриманих напиленням, але для деяких використань вони

виявляються здатними забезпечити необхідні параметри.

Нанесення товстих плівок.

Пасивні елементи товстоплівкових ІМС отримують локальним нанесенням на

підкладку напіврідинних паст-склоемалей з подальшим їх сушінням та впіканням у

підкладку. Тому в цьому випадку плівки набирають товщину відразу, а не поступово

161

- прошарок за прошарком – як за тонкоплівковою технологією.

Послідовність технологічних операцій нанесення товстих плівок така:

– нанесення прошарку пасти на підкладку через маску – накладний трафарет

(звідси і назва – метод трафаретного друку, метод шовкографії);

– випаровування розчинника при температурі 300...400 °С і тим самим

перетворення пасти з напіврідинного стану в твердий;

– впікання затверділої речовини пасти в підкладку (спікання) при температурі

500...700 °С (залежно від складу пасти).

Операція впікання – найвідповідальніша в технологічному циклі; вона

потребує високої стабілізації температури (з точністю до ± 1 °С).

В основі всіх паст-склоемалей лежить так звана фрита – дуже тонкий порошок

скла, до якого залежно від призначення пасти добавляють порошок резистивного,

провідного або діелектричного матеріалів.

Для електропровідних паст домішками служить срібло або золото, для

резистивних – суміш срібла та паладію, а для діелектричних – титанат барію з

високою діелектричною проникністю. Змінюючи матеріал та відсоткову місткість

домішок, можна змінювати електричні параметри плівок у дуже широких межах.

Масками для нанесення паст на підкладку служать сітчасті трафарети. Більша

частина сітки покрита плівкою, але в ній є вікна. Рисунок вікон отримують методом

фотолітографії, витравлюючи отвори в плівці. Враховуючи чарункувату структуру

сітки, розміри вікон важко зробити меншими, ніж 10...200 мкм. Це зумовлює

мінімальні розміри елементів товстоплівкових ІМС і ширину ліній.

Рамку з трафаретом заповнюють пастою і розміщують над підкладкою на

відстані 0,5...1 мм. Після цього на сітку опускають спеціальний ніж ракель, який,

переміщуючись вздовж рамки, продавлює пасту через отвори в сітці (рисунок 2).

162

Рисунок 2. Схема катодного напилення при низькому тиску.

Рисунок 3. Локальне нанесення товстих плівок: а – сітчастий трафарет; б –

продавлювання пасти через трафарет.

До підкладок для товстоплівкових ІМС ставляться такі самі вимоги, що і для

тонкоплівкових. Особлива увага приділяється підвищеній теплопровідності,

оскільки товстоплівковий варіант ІМС призначений для потужних схем. Важливою

особливістю підкладок для товстоплівкових ІМС є те, що їхня поверхня повинна

бути досить шорсткою для забезпечення необхідної адгезії з речовиною пасти.

Ступінь шорсткості оцінують нерівностями до 1...2 мкм.

У цілому товстоплівкова технологія вирізняється простотою і низькою

вартістю ІМС. Проте порівняно з тонкоплівковою технологією щільність

компонування виявляється меншою (через більшу ширину ліній), а розбіжність

параметрів – більшою.

163


ОСНОВНІ ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ

ВИГОТОВЛЕННЯ ПЛІВКОВИХ ІМС

1. На які два види підрозділяються плівкові ІМС?

2. Чим вирізняється товсто плівкова технологія від тонко плівковою?

3. Перелічіть методи створення тонко плівкових структур.

4. Яка перевага катодного напилення над термічним?

5. Перелічіть послідовність технологічних операцій нанесення товстих плівок.

164

ТЕМА: ОСОБЛИВОСТІ ВИГОТОВЛЕННЯ

ГІБРИДНИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ (ГІМС)

Залежно від технології формування пасивних елементів розрізняють ГІС

тонкоплівкові і товстоплівкові.

Після розділення підкладок кожну з них для створення ГІС доповнюють

навісними компонентами.

Основними технологічними процесами, що використовують на заключному

етапі виготовлення ГІС, є складально-монтажні роботи та герметизація.

Монтаж навісних компонентів.

Як навісні компоненти використовують безкорпусні діоди, транзистори,

конденсатори, трансформатори, кристали напівпровідникових мікросхем

(безкорпусні ІМС).

Основними вимогами до складально-монтажних процесів створення ГІС,

великих ГІС та надвеликих ГІС є забезпечення високої щільності монтажу і високої

надійності монтажних з'єднань, високої продуктивності та низької вартості. Процес

складання і монтажу ГІС зводиться до установлення та закріплення безкорпусних

активних і пасивних елементів на підкладку та під'єднання зовнішніх виводів цих

елементів до плівкових контактних площинок.

Найпоширенішими є безкорпусні компоненти з проводовими, кульковими

(стовпчиковими), балочними та павучковими виводами. Відповідно і методи

монтажу називають за типом виводів: метод проводового монтажу, метод

перевернутого кристала, метод балкових та павучкових виводів.

Найпростішим варіантом безкорпусного транзистора є кристал, одержаний

після скрайбування, до трьох контактних площинок якого приєднані проводові

виводи, і який захищений від зовнішнього середовища краплею епоксидної смоли,

що обгортає кристал з усіх боків. Такий транзистор приєднують до підкладки біля

тих плівкових елементів, з якими він має бути з'єднаний, після чого проводові

виводи транзистора термо-компресійним або ультразвуковим зваренням з'єднують з

відповідними контактними площинками на підкладці (рисунок 1).

165

Рисунок 1. Структура ПС.

Існує два інші варіанти безкорпусних транзисторів, монтаж яких виконують

інакше. Перший варіант – це транзистор з кульковими виводами. Кульки діаметром

50...100 мкм з'єднані з контактними площинками транзистора, а через них - з тим

або іншим прошарком кремнію: емітерним, базовим або колекторним. Матеріалом

для кульок служать золото, мідь або сплав Sn-Sb. Із того самого матеріалу на

діелектричній підкладці плівкової ГІС виготовляють компактні стовпчики висотою

10...15 мкм і діаметром 150...200 мкм, які розташовані разом з кульками на кристалі

кремнію. Кульки зі стовпчиками з'єднують методом перевернутого монтажу (від

англ. flip - chlір), тобто кристал транзистора перевертається «догори ногами» –

кульками вниз, і накладається кульками на стовпчики підкладки. Суміщуючи тиск

на кристал з підвищенням температури (по суті, використовуючи термокомпресію),

забезпечують стійке з'єднання кульок із стовпчиками. Як бачимо, метод

перевернутого монтажу - груповий: за одну операцію отримують усі три необхідні

з'єднання. Кількість з'єднань за таким монтажем вдвоє менша, ніж за проводовим, а

транзистор не потребує спеціального місця на підкладці. Головною трудністю є

з'єднання кульок зі стовпчиками, оскільки кристал під час накладання перевернутий

і затуляє від оператора місце з'єднання.

З'єднання контактних площинок кристала з підкладкою полегшується у разі

використання другого варіанта безкорпусних транзисторів – транзистора з

балковими виводами. Тут контактні площинки транзистора продовжені за межі

кристала і нависають за ними на 100...150 мкм, звідки і назва – балки. Навісні

компоненти з балковими виводами можна монтувати так само, як і у випадку

кулькових виводів – методом перевернутого монтажу. При цьому балки, що

виступають, добре видно, і їх з'єднання з контактними площинками на підкладці не

є важким. Незважаючи на те, що виготовлення кулькових та балкових виводів 166

складніше і дорожче, ніж проводових, вони забезпечують суттєве спрощення та

здешевлення складальних операцій (найдорожчих в технологічному циклі), а також

помітне підвищення відсотка виходу придатних Г1С та їх надійності.

Великі ГІС можна формувати з декількох напівпровідникових безкорпусних

ІМС. їх монтаж виконують за описаними вище технологічними процесами. На платі

вони кріпляться за допомогою епоксидних компаундів або евтектичних сплавів. У

першому випадку перехід ІМС – плата є електроізоляційним, у другому – омічним.

Для створення евтектичного спаю на підкладку в потрібному місці наносять

шар золота завтовшки декілька мікрометрів, на який і кладуть напівпровідникову

ІМС. Потім підкладку з мікросхемою розігрівають до температури, яка дещо

перевищує температуру евтектики кремній - золото (370 °С – температуру

плавлення). При такий температурі та деякому невеликому тиску на кристал

кремній і золото взаємно розчиняються і утворюється евтектичний спай на межі

розділу.

Герметизація.

У реальних умовах експлуатації на мікросхеми діють різні дестабілізувальні

фактори (тепло, волога, агресивні хімічні середовища тощо), що дуже впливає на

їхню працездатність і надійність. Для захисту від зовнішнього впливу ГІС

герметизують. Ступінь необхідної герметизації та її способи залежать від

призначення мікросхем і області їх використання, герметизівних матеріалів, рівня

розвитку технологій та економічних міркувань.

За конструктивно-технологічними ознаками герметизацію поділяють на

безкорпусну і корпусну. Безкорпусну герметизацію виконають, як правило,

заливанням мікроскладань спеціальними компаундами. Для більш надійного захисту

від вологи вдаються до вакуум-щільної герметизації з використанням спеціальних

корпусів. Залежно від матеріалу, використовуваного для виготовлення корпусів, та

способів герметизації їхніх зовнішніх виводів вакуум-щільні корпуси поділяють на

скляні, металоскляні, металеві, керамічні і металокерамічні.

167


ОСОБЛИВОСТІ ВИГОТОВЛЕННЯ

ГІБРИДНИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ (ГІМС)

1. Назвіть основні конструктивні елементи ГІМС?

2. Які вимоги до під ложок ГІМС?

3. Які матеріали використовують для створення провідників та контактних

площинок?

4. Поясніть конструкцію плівкового конденсатора ГІМС.

5. Які особливості мають активні елементи ГІМС?

168

ТЕМА: ОСОБЛИВОСТІ АНАЛОГОВИХ ІМС

В аналогових інтегральних мікросхемах (АІС) сигнал на виході є неперервною

функцією сигналу, що діє на вході. Аналогові інтегральні схеми належать до

лінійних схем. За виконуваними функціями їх поділяють на такі підгрупи:

генератори, детектори, комутатори, модулятори, перетворювачі, вторинні джерела

живлення, пристрої порівняння, підсилювачі, фільтри, формувачі,

багатофункціональні ІМС. Такі схеми широко використовують в апаратурі зв'язку,

телебачення і телекерування, інформаційно-діагностичних системах, аналогових

обчислювальних машинах, магнітофонах, радіоприймачах, вимірювальних

приладах, системах контролю тощо.

Завдяки удосконаленню технології, схемотехніки та методів проектування

номенклатура АІС постійно розширюється, помітно поліпшується їх якість.

Аналогові ІМС універсальні і багатофункціональні. Це дозволяє виготовляти їх в

масовому виробництві. Високоспеціалізовані ІМС не користуються великим

попитом, оскільки вони дорогі.

Серії АІС, які випускає промисловість, формуються з орієнтацією на клас

апаратури. Просліджується бажання розробників максимально розширити

функціональні можливості більшості АІС. Функціональний склад найпоширеніших

серій АІС, які знаходять застосування в сучасній PEA, наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 – Основні серії АІС

Підгрупа АІС Серія

Підсилювач 118, 119, 123, 140, 148, 153, 154, 157,

167, 171, 174, 175, 198, 224, 237, 265,

284, 435, 504, 538, 544, 548, 551, 553,

574, 1400, 1401, 1402, 1408, 1409,

1420

Пристрої селекції та порівняння 119,284,521,554,597

Генератори 119, 174,224,237,435

Перетворювачі 119,174,224,265,284, 1112

Модулятори 119, 140, 435

169

Детектори 119,157, 174, 175,435

Комутатори і ключі 119, 124, 143, 149, 162, 168. 174, 190,

249, 262, 265, 284, 286, 435, 590, 591,

743, 762, 1109

Багатофункціональні пристрої 157, 174,224,237,284, 1005

Вторинні джерела живлення 119, 142, 224, 275, 284, 286, 435. 538,

1109

Таймери 1006

Набори елементів 125, 142, 198, 224, 435, 504, 538

Як показує аналіз таблиці 1, АІС виготовляються за напівпровідниковою (1, 5,

6, 7) та гібридною (2, 4) технологією.

З метою підвищення технологічності мікросхем, тобто зменшення кількості

технологічних операцій, транзисторні структури в АІС використовують не тільки як

активні елементи (для підсилення), а і як формувачі пасивних елементів (наприклад,

резисторів, конденсаторів і т. ін.).

Підсилювальні ІМС складають численну та універсальну підгруппу АІС з

певними схемотехнічними особливостями, обумовленими можливостями та

обмеженнями інтегральної технології, а саме: переважне використання п-р-п-

структур; заміна високоомних резисторів активними транзисторними джерелами

струму, яким властиві великі динамічні внутрішні опори; відмова від використання

міжкаскадних роздільних конденсаторів; широке використання складених

транзисторів, керованих джерелами струму, параметричних стабілізаторів струму,

комплементарних структур, диференціальних транзисторних пар,

багатоелектродних транзисторів, різних термостабілізуючих кіл і т. ін.

Інтегральні підсилювачі, які випускає промисловість, суттєво відрізняються

від подібних функціональних вузлів, побудованих на дискретних елементах за

основним призначенням, функціональними можливостями, схемотехнічною

складністю тощо.

В аналогових ІМС (особливо в напівпровідникових) між окремими

підсилювальними каскадами немає роздільних конденсаторів, тому для з'єднання

окремих каскадів підсилення використовується лише гальванічний (омічний) зв'язок

170

(зв'язок за постійним струмом). Таким чином, розширюється межа частотної

характеристики підсилювача до fн = 0. Тобто АІС є підсилювачами постійного

струму. Водночас омічний зв'язок між каскадами потребує додаткових схемних

рішень. Найвагомішими є завдання стабілізації режиму підсилювального каскаду та

зсуву рівнів напруг.

Схеми стабілізації режиму роботи каскаду підсилення

Нестабільність положення робочої точки інтегрального транзистора може

бути спричинена коливанням температури, старінням елементів ІМС, дрейфом

параметрів мікросхеми, нестабільністю напруги джерела живлення. За браком

роздільних конденсаторів повільна зміна напруги підсилюється наступними

каскадами, а в деяких випадках, коли інформаційний сигнал має постійну складову,

небажані зміни напруги внаслідок дрейфу викликають значні похибки. Тому

стабільність точки спокою є запорукою якісної роботи АІС. Найбільший вплив на

зміщення робочої точки чинить температурна нестабільність параметрів елементів

ІМС.

У дискретних схемах та ГІС для забезпечення режиму спокою і його

термостабілізації використовують резистивні кола зміщення і введення місцевих кіл

негативного зворотного зв'язку. При цьому резистори шунтуються конденсаторами

великої ємності для запобігання впливу цих кіл на передачу інформаційного

сигналу.

У напівпровідникових ІМС застосування елементів негативного зворотного

зв'язку є недоцільним, оскільки формування конденсаторів великих ємностей не

можливе.

Під впливом зміни температури зміщуються статичні характеристики

транзистора. З підвищенням температури змінюється колекторний (вихідний) струм

ІС, приріст якого обумовлений головним чином підвищенням зворотного струму

колекторного переходу та коефіцієнта передачі за струмом транзистора h21В або h21Е,

а також зміною напруги UЕВ на емітерному переході.

Для стабілізації режиму АІС у схемі необхідно передбачати генератор

стабільного струму, який забезпечить незмінний струм у навантаженні у разі зміни

171

його опору або вхідної напруги. Нагадаємо, що генератор струму характеризується

великим внутрішнім опором, який значно перевищує опір навантаження (Rг >> Rн).

У напівпровідникових ІМС формування резисторів з великим опором є

недоцільним (планарні резистори займають велику площу). Тому використовують

параметричні методи температурної стабілізації положення робочої точки.

Принципову схему параметричного стабілізатора струму зображено на

рисунку 1.

Рисунок 1. Принципова схема генератора стабільного струму.

Показані напруги та струми зв'язані таким рівнянням:

Е0 = U1 + ІЕ1R1 = UВЕ2 + R2ІЕ2

Знехтуємо малим струмом ІВ2, тоді ІЕІ = ІС, і ІЕ2 = І0.

Якщо опори резисторів R1 = R2 однакові, а параметри та характеристики

транзисторів VT1 та VT2 збігаються, що досягається в ІМС, то І0 = І1. Тобто струм у

навантаженні повторює вхідний струм ІС1. Таку схему (рисунок 1) називають

струмовим дзеркалом.

Відносна нестабільність струмів транзисторів VT1 і VT2 однакова.

Таким чином, щоб стабілізувати струм І0 (ІС2), необхідно з достатньою

точністю стабілізувати струм ІС1.

Вхідний струм 0

10

RE

I ECC

−= . За умови ЕС >> Е0 струм ІС1 визначається

зовнішніми параметрами ЕС та R0. Отже, заданий режим транзистора VT1 і його

колекторний струм ІС1 (а відтак і струм І0) можна забезпечити добиранням зовнішніх

172

елементів: резистора R0 і напруги джерела живлення. Визначають їх з урахуванням

допустимих значень відносної зміни температури ∆Т/Т, опору резистора ∆R0/R0,

струму навантаження ∆І0/І0 та напруги джерела живлення EС/EС.

Якщо R1 ≠ R2, то ІЕ1 ≠ ІЕ2, але зберігаються рівняння U1 — UВЕ2 і ІЕ1R1 = ІЕ2R2.

Звідки І0 = І1(R1R2).

У цьому випадку струм навантаження може наслідувати струм ІС1 як у

«збільшеному» так і в «зменшеному» масштабі залежно від співвідношення опорів.

Цей масштаб не перевищує декількох одиниць.

Розглянута схема широко використовується для стабілізації режиму

диференціальних підсилювачів як в окремому виконанні, так і в складі операційних

підсилювачів.

Схеми зсуву рівнів напруг

Інтегральні підсилювачі є підсилювачами постійного струму. Завдяки

омічному зв'язку на базу транзистора кожного наступного каскаду поступає не

тільки корисний інформаційний сигнал, але і постійна складова напруги з колектора

попереднього каскаду.

Для того, щоб усунути постійну складову на вході наступного каскаду і по

можливості без втрат передати корисний сигнал, використовують спеціальні схеми

зсуву рівнів напруг. Такі схеми забезпечують стабільну роботу каскадів, не вносячи

помилок в постійну складову сигналу зі зміною напруги живлення і температури

навколишнього середовища. Найчастіше схеми зміщення рівнів будують на основі

генераторів стабільного струму.

Найпростішою схемою зсуву рівнів напруг є емітерний повторювач. Він є

основою інших складніших схем (рисунок 2).

173

Рисунок 2. Схема зсуву рівнів напруг.

Розглянемо процес зменшення постійної складової напруги U1, що діє на базі

VT1 разом зі змінним інформаційним сигналом Uвx. Потенціал емітера VT1 нижчий

від потенціалу бази на незначну величину UВЕ1. Коефіцієнт передачі за напругою

GU = 1.

На діоді VDI спадає пряма напруга UF = UВЕ1. За необхідності вмикають m

діодів.

Транзистори VT2, VT3, резистори R1, R2 та R4 утворюють генератор

стабільного струму I0, який забезпечує необхідний спад напруги на резисторі R3.

Зсув між вхідною U1 та вихідною U2 напругами залишається постійним і

визначається рівнянням:

U1 – U2 = (m + 1) UF + I0R3

Змінюючи значення m, І0 та R3, можна забезпечити будь-який зсув рівня

напруги. При цьому змінний інформаційний сигнал передається майже без

спотворень.

Такі схеми широко використовують у багатокаскадних інтегральних

підсилювачах, зокрема, в операційних підсилювачах.

174


ОСОБЛИВОСТІ АНАЛОГОВИХ ІМС

1. На які підгрупи поділяються аналогові ІМС за виконуваними функціями?

2. Чому в аналогових ІМС не використовують міжкаскадні роздільні

конденсатори?

3. За допомогою якої схеми в аналогових ІМС стабілізується режим роботи?

4. Чому в аналогових ІМС використовують генератори стабілізуючого струму

та схеми зсуву рівнів напруг?

5. Що таке струмове дзеркало?

175

ТЕМА: ОСНОВНІ ТИПИ АНАЛОГОВИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ

ПІДСИЛЮВАЧІВ

До схем в інтегральному виконанні належать такі підсилювачі: одно-каскадні,

диференціальні, операційні, спеціалізовані для апаратури широкого вжитку

(телевізорів, радіоприймачів, магнітофонів та ін.).

Зупинимося на загальних характеристиках трьох перших типів підсилювачів.

Однокаскадні підсилювачі.

Такі підсилювачі в інтегральному виконанні являють собою монолітну схему,

яка містить усі необхідні елементи (транзистори, діоди, резистори і т. ін.) в

інтегральному виконанні та підсилює електричні сигнали без вмикання додаткових

елементів. Такі підсилювачі подібні до багатоцільових пристроїв, оскільки,

змінюючи в них комутацію зовнішніх виводів та способи підключення джерел

сигналів і навантаження, можна одержати підсилювачі з різними характеристиками

та різними схемами вмикання (СЕ, СБ, СК). В окремих випадках інтегральні

підсилювачі під час розробки конкретних вузлів доповнюють навісними

елементами.

Принципову схему показано на рисунку 1, a, a схему вмикання попереднього

підсилювача низької частоти серії 119 (мікросхема 119УН1) – на рисунку 1, б. У разі

такого вмикання вхідний інформаційний сигнал подається на вхід 4, а знімається з

виходів 5 та 11. На виводі 5, як і в схемі із СЕ, сигнал змінює полярність. Це

інвертувальний вихід, що відповідно позначається на схемі вмикання (кільце на

рисунку 1, б). Таке ж позначення використовують і в ЦІС для виділення

інвертувальних виводів.

176

Рисунок 1. Підсилювач 119УН1: а – принципова схема; б – схема вмикання.

Опором навантаження колекторного кола змінному струму є резистор R3,

оскільки з'єднаний з виводом 12 і корпусом навісний конденсатор ємністю 15,0 мкФ

шунтує за змінним струмом резистор R2. Таке вмикання дозволяє забезпечити

термостабілізацію робочої точки дією негативного зворотного зв'язку за напругою

для постійного струму (колекторна стабілізація). Зміна температури, а отже, і

струму колектора відбувається повільно. Конденсатор не шунтує резистор К1 і на

ньому формується додатковий спад напруги, викликаний збільшенням колекторного

струму з підвищенням температури. Це – схемне вмикання, яке протидіє зміні

колекторного струму. Так само резистор R5 з конденсатором великої ємності 15,0

мкФ утворює коло емітерної термостабілізації дією негативного зворотного зв'язку

за постійним струмом.

На виході 11 формується неінвертований сигнал, як і в схемі із СК. Під час

вмикання, показаному на рисунку 1, б, вихідні сигнали формуються одночасно на

двох виходах 5 і 11. Тобто створено можливість одержувати протифазні (парофазні)

сигнали.

Відповідним вмиканням зовнішніх навісних конденсаторів можна забезпечити

побудову підсилювачів із СЕ, СБ або із СК.

Диференційний ППС

Балансний підсилювач, у емітерне коло якого замість RЕ увімкнене джерело

струму (наприклад, транзистор, якому задано фіксоване значення струму бази), має 177

назву диференційного (різницевого – бо підсилює різницю напруг між входами)

підсилювача. Його схему наведено на рисунку 2.

Рисунок 2. Диференційний підсилювач.

Щодо нього слід зазначити наступне. Вхідний сигнал може бути подано не

тільки як диференційний (між входами Вх.1 і Вх.2). Його можна також подавати на

будь-який з входів відносно точки з нульовим потенціалом.

Навантаження також може бути підімкнене не тільки між обома виходами

(симетричний вихід), але й до одного виходу і нульової точки (несиметричний

вихід). При цьому, якщо це, наприклад, Вих.2, то Вх.1 для нього буде

неінвертуючим: зміни сигналу на виході співпадають по знаку (фазі – для змінного

струму) зі змінами вхідного сигналу; Вх.2 буде інвертуючим: зміни вихідного

сигналу по знаку (фазі) протилежні змінам вхідного.

При несиметричному вході один з колекторних резисторів (від якого не

робиться вихід) можна не встановлювати.

Якщо на обидва входи подати відносно нульової точки однакові по знаку і

величині сигнали (синфазний сигнал), то напруга на виході дорівнюватиме нулю –

підсилювач підсилює тільки різницевий сигнал.

Диференційні підсилювачі знайшли широке використання при побудові ППС

в інтегральному виконанні.

178

Диференціальні підсилювачі в інтегральному виконанні

Диференціальні підсилювачі належать до балансних (мостових) схем

підсилювачів постійного струму. їх якість здебільшого визначається ідентичністю

параметрів пари транзисторів. У дискретній транзисторній схемотехніці це виконати

важко, а тому такі схеми використовують рідко. Структура диференціального

підсилювача узгоджена з принципами інтегральної технології, за якою можливе

виготовлення пари транзисторів з майже ідентичними параметрами (дві структури

розташовані поруч на одній підкладці і формуються одночасно за однакових умов.

У процесі побудови та експлуатації підсилювачів постійного струму

необхідно: забезпечувати стабільну роботу під час змін напруги джерела живлення,

режимів транзистора, параметрів елементів та інших дестабілізувальних факторів.

Формування вихідної напруги під дією цих факторів фактично не відрізняється від

змін, викликаних дією на вході корисних сигналів.

Зміни вихідної напруги, які не пов'язані з вхідним інформаційним сигналом, а

зумовлені внутрішніми процесами в підсилювачі, називають дрейфом нуля

підсилювача. Напруга дрейфу на виході підсилювача постійного струму може

виявитись одного порядку з напругою корисного сигналу. Це викликає недопустимі

інформаційні спотворення.

Схеми диференціальних підсилювачів будуються за мостовими схемами, що

дозволяє вирішити описану вище проблему через суттєве зменшення дрейфу нуля.

Типову принципову схему та схему вмикання диференціального підсилювача

в інтегральному виконанні показано на рисунку 3. Це мікросхема К118УД1:

напівпровідниковий однокаскадний диференціальняй підсилювач постійного струму

серії 118. По суті така схема являє собою міст, плечами якого є резистори R1 = R5 і

внутрішні опори транзисторів VT1 та VT4 (диференціальна пара).

179

Рисунок 3. Диференціальний підсилювач К118УД1: а – принципова схема; б –

схема вмикання.

До однієї діагоналі моста (виводи 7 і 14) підводиться напруга одного або двох

джерел живлення (+ЕС і -ЕС), а до другої (колектори VT1 і VT4) вмикається

навантаження (виводи 5 і 9). Якість роботи такої схеми визначається симетрією обох

плечей, тобто ідентичністю параметрів транзисторів VT1, VT4 та рівністю опорів

резисторів R1 і R5. В електровакуумній електроніці це вдавалося досягати, але при

використанні дискретних транзисторів важко підібрати два ідентичні прилади.

Інтегральна технологія дозволяє просто вирішити цю проблему. Пару транзисторів і

резисторів формують на підкладці поруч на дуже малій відстані один від одного, що

виключає значні розбіжності електрофізичних властивостей напівпровідника. Крім

того, це відбувається в єдиному технологічному процесі, що і забезпечує майже

ідеальну симетрію плечей. Тоді у початковому стані (до появи інформаційного

сигналу) диференціальний підсилювач буде збалансований, а напруга на

навантаженні дорівнюватиме нулю (Uн = │UС1 – UС2│ = 0). Дії різних

дестабілізувальних факторів (наприклад, підвищення +ЕС) одночасно змінюють

напругу колекторів, а різницева напруга колекторів, тобто напруга на навантаженні,

залишиться незмінною (Uн = 0).

Для стабілізації режиму роботи в схемі використовують генератор стабільного

струму на транзисторі VT2, функціонування якого описано в підрозд. 6.11.2. Коло

зміщення побудоване на резисторах R3, R4, R6 і транзисторі VT3 у діодному

вмиканні. Це забезпечує режим роботи генератора стабільного струму і

температурну стабілізацію мікросхеми. 180

Умикаючи навантаження між колекторами транзисторів VТ1 і VT4,

використовують симетричний вихід, а знімаючи напругу вихідного сигналу з

колектора одного з транзисторів відносно заземленого провідника -несиметричний

вихід. Вихідний інформаційний сигнал може подаватися на один із входів (5 або 10)

відносно заземленої точки (несиметричний вхід) або ж одночасно на два входи

(симетричний вхід).

Під час подачі інформаційного сигналу на симетричні входи на базах вхідних

транзисторів VT1 і VT4 діють напруги однакової величини, але протилежних знаків

(∆UB1 = –∆UB2). Такі сигнали називають диференціальними. Ідеальний

диференціальний підсилювач реагує тільки на диференціальний сигнал, звідси і

назва цього типу підсилювачів.

Операційні підсилювачі

Операційний підсилювач (ОП) – це ППС, який має високий коефіцієнт

підсилення, два входи (так званий диференційний вхід) і один вихід.

Зазвичай, ОП будують як ППС з безпосередніми зв'язками між каскадами, з

диференційним входом і біполярним відносно амплітуди підсилюваного сигналу

виходом. Це забезпечує нульові потенціали на вході і виході ОП при відсутності

вхідного сигналу. Тому такі підсилювачі легко з'єднувати послідовно, а також

охоплювати зворотними зв'язками.

По своїй структурі ОП бувають три- або двокаскадні.

По трикаскадній схемі будувались ОП в інтегральному виконанні першого

покоління. Перший диференційний каскад у них працює в режимі мікрострумів,

забезпечуючи тим самим високий вхідний опір. Другий диференційний каскад

забезпечує підсилення напруги. Третій каскад, вихідний, виконується як двотактний

з СК і забезпечує підсилення потужності, а також низький вихідний опір.

ОП другого покоління будуються по двохкаскадній схемі. Це стало можливим

із зростанням рівня інтегральної технології. При цьому, перший каскад забезпечує і

високий вхідний опір і великий коефіцієнт підсилення напруги. Другий каскад є

підсилювачем потужності.

Свою назву ці підсилювачі одержали у зв'язку з тим, що спочатку вони

181

використовувались для моделювання математичних операцій (додавання,

віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.) в анало-го-вих обчислювальних

машинах (АОМ).

З розвитком інтегральної техніки область використання ОП значно

розширилась. Нині вони використовуються в основному як високоякісні

підсилювачі напруги при побудові будь-яких електронних пристроїв. А АОМ тим

часом були витіснені цифровими обчислювальними машинами.

Поширеному застосуванню ОП сприяють їхні високі параметри. Це великий

коефіцієнт підсилення за напругою, що становить КU = (104–106); високий вхідний

опір по кожному з входів –Rвх > 400 кОм; низький вихідний опір Rвиx < 100 Ом;

досить широкий частотний діапазон – від нуля до одиниць мегагерц.

За ними ОП для багатьох застосувань наближаються до ідеального

підсилювача, який має:

1) КU → ∞;

2) два симетричних виходи з Rвх → ∞;

3) Rвих → ∞;

4) безкінечний діапазон частот підсилюваного сигналу.

При цьому зазначимо, що як лінійні підсилювачі у десятки тисяч разів реальні

ОП не застосовують, бо їх коефіцієнт підсилення (як і інші параметри) – величина

вкрай нестабільна (наприклад, під дією температури).

Умовне позначення ОП наведене на рисунку 4, а (на рис. 4, б,в надано умовні

позначення, прийняті в деяких зарубіжних країнах).

Рисунок 4. Умовні позначення ОП.

Принцип побудови та функціонування складових елементів ОП розглянемо на

прикладі найпростішої схеми, яка використовувалася в перших зразках інтегральних

ОП, зокрема, на прикладі ІМС 140УД1 (А, Б) – напівпровідникової ІМС серії 140.

Це аналог мікросхеми А702 американської фірми «Ферчайлд». 182

Конструктивно ОП 140УД1 розміщується на кремнієвій пластині розміром

1,1×1,1 мм. Принципову схему ОП показано на рисунку 5.

Як вхідний каскад використовується один з видів диференціального

підсилювача на транзисторах VT1 та VT2 з джерелом стабільного струму на

транзисторі V73 і колом температурної стабілізації на транзисторі VT6 у діодному

ввімкненні (струмовим дзеркалом).

Рисунок 5. Принципова схема ОП.

Другий (проміжний) каскад ОП виконаний на транзисторах VT4 та VТ5 також

за схемою диференціального підсилювача, але з несиметричним виходом. Він

виконує дві функції: підсилення напруги та перетворення двофазного сигналу,

сформованого на колекторах транзисторів VT1 та VT2, в однофазний, що

формується на колекторі транзистора VT5.

Струм другого каскаду не фіксується джерелом стабільного струму в колі

емітерів транзисторів, оскільки на його входи поступає вже підсилений

інформаційний сигнал, в якому синфазної складової майже немає (заглушується

першим каскадом). Це дозволяє реалізувати в другому каскаді режим роботи з

міліамперними струмами, що забезпечує підсилення напруги порядку кількох

сотень.

Використовуючи диференціальні підсилювачі, максимальний коефіцієнт

підсилення за напругою одержують, підключаючи навантаження до симетричного

виходу. Операційні підсилювачі мають однофазний вихід. Щоб забезпечити перехід

183

від симетричного виходу до несиметричного без втрати коефіцієнта підсилення за

напругою, транзистор VT4 вмикають за схемою із СК. Розглянемо як відбувається

передача сигналів.

Припустимо, що на симетричні входи ОП подається імпульсний сигнал: на

вході 10 напруга збільшується, на вході 9 – зменшується. На рисунку 5 це зображено

позитивним та негативним імпульсами. У результаті на колекторах транзисторів

VT1 і VT4 сформуються інвертовані імпульси. З колектора транзистора VT2 імпульс

позитивної полярності подається на базу транзистора VT4, увімкненого за схемою із

СК (емітерний повторювач). На об'єднаних емітерах транзисторів VT4 і VT5

формується позитивний імпульс. Потенціал емітера транзистора VT5 зростає, а

напруга UВЕ цього транзистора зменшується, він закривається, струм колектора

зменшується, зумовлюючи підвищення напруги на колекторі (UС = ЕС – IСRС).

Одночасно негативний імпульс з колектора транзистора VT1 подається на базу

транзистора VT5, що також спричиняє зменшення колекторного струму. Таким

чином, на колекторі транзистора VT5 формується однофазний сигнал, амплітуда

якого пропорційна обом сигналам симетричного виходу першого каскаду.

Вихідний каскад ОП, виконаний на транзисторах VТ7 - VT9, є однотактним

підсилювачем, що працює в режимі підсилення А. Транзистор VT8, увімкнений за

схемою емітерного повторювача, забезпечує зсув рівня напруг. Якщо немає вхідних

сигналів і використовуються два джерела живлення, напруга на виході (на емітері

транзистора VT9) повинна дорівнювати нулю, а на базі – близько 0,4...0,8 В.

Напруга на колекторі транзистора VT5 значно перевищує це значення (може

досягати +ЕС). Повторювач на транзисторі VT8 узгоджує проміжний і вихідний

каскади за рівнем постійної напруги. Зарядна ємність діода VD1 діє як

прискорювальний конденсатор, зменшуючи спотворення різких перепадів сигналу.

Транзистор VТ7 виконує дві функції: є генератором стабільного струму в

схемі зсуву постійного рівня напруги, забезпечуючи необхідний спад напруги на

резисторі в колі емітера транзистора VT8; вмикається в коло позитивного

зворотного зв'язку вихідного каскаду - емітерного повторювача на транзисторі VT9.

Це дозволяє підвищити вхідний опір усього вихідного каскаду, зменшити вихідний

опір та підвищити значення коефіцієнта підсилення до 5. Підсилювач 140УД1

забезпечує коефіцієнт підсилення за напругою в декілька тисяч в діапазоні частот до

184

5 МГц.

Таким чином, позитивний імпульс, сформований на колекторі транзистора

VT5, підсилюється і без зміни полярності виділяється на виході 5 (рисунок 5).

Сигнал такої полярності подається на вхід 10, тому цей вхід називають

неінвертувальним. На вхід 9 подається сигнал протилежної полярності (відносно

сигналу, одержаного на виході 5), тому цей вхід називають інвертувальним. На

умовному графічному позначення ОП такий вхід позначають кільцем.

Найважливішими характеристиками ОП є вихідні амплітудні (передатні)

характеристики – Uвих =f (Uвх), зображені на рисунку 6.

Рисунок 6. Передатні характеристики ОП.

Знімають ці характеристики, подаючи сигнал на один з входів і з'єднуючи

інший з нульовою точкою.

Кожна вихідна характеристика має горизонтальні та скісну ділянки.

Горизонтальні ділянки відповідають режиму повністю відкритого чи закритого

транзистора вихідного каскаду (режимам насичення). При зміні напруги вхідного

сигналу на цих ділянках вихідна напруга підсилювача залишається незмінною і

визначається напругами U+вихт або U–

вихт , близькими до напруги джерел живлення

Е1 та Е2.

185

Коефіцієнт підсилення визначається по скісних ділянках:

вх

вихзм U

UK∆∆

=0

Великі його значення дозволяють за умов охоплення ОП глибоким ВЗЗ

одержати схеми з властивостями, що залежать лише від параметрів ланцюга ВЗЗ бо

при К → ∞ K33 → 1/χ — залежить лише від параметрів ланцюга ВЗЗ (і, на перший

погляд, фактично не залежить власне від підсилювача).

Стан, за якого Uвих = 0 при Uвх = 0, називається балансом ОП. Однак для

реальних ОП умови балансу не виконуються (є розбаланс).

Напруга Uзм 0, за якої Uвих = 0 , має назву вхідної напруги зміщення нуля. Вона

визначає напругу, яку необхідно подати на вхід підсилювача для створення балансу.

UOП

вихзм K

UU ∆=0

Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу наведені на рисунку 7.

Рисунок 7. Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу.

Корекція розбалансу виконується корегуючими ланцюгами або, при

відсутності таких у ОП деяких типів, подачею на вхід напруги, що дорівнює Uзм 0 і

протилежна за знаком.

Вхідний опір, вхідний струм зміщення, максимальні вхідні диференційна та

синфазна напруги є основними вхідними параметрами ОП.

186

При необхідності захисту від перенапруг між входами ОП вмикають

зустрічно-паралельно два діоди або стабілітрони.

Вихідними параметрами ОП є вихідний опір, максимальна вихідна напруга та

струм.

Частотні характеристики ОП визначають з його АЧХ, зображеної на рисунку

8.

Рисунок 8. АЧХ ОП.

Вона має спаданий характер в області високих частот, починаючи від частоти

зрізу fЗР.

fBГ – верхня грань частотного діапазону. За цієї частоти:

2UOП

U

KK =

Діапазон частот (0 – fBГ) має назву смуги частот ОП.

Широке практичне використання ОП в аналогових схемах зумовлене,

головним чином, застосуванням у їх схемах різного роду зовнішніх ВЗЗ, чому

сприяє велике значення коефіцієнта підсилення КUOП, високий вхідний та малий

вихідний опори. Висока якість параметрів сучасних ОП дозволяє, зокрема, без

внесення помітної похибки при розрахунку схем на ОП, приймати КUOП → ∞, RвхOП

→ ∞, RвихOП → 0, а значить вважати ОП за ідеальний.

Розглянемо деякі приклади електронних пристроїв на ОП.

Інвертуючий підсилювач

Інвертуючий підсилювач (необхідно розрізняти поняття «операційний

підсилювач» і «підсилювач, виконаний на операційному підсилювачі»), схему якого

зображено на рисунку 9, який змінює знак вихідного сигналу відносно вхідного і

187

створюється введенням паралельного ВЗЗ за допомогою резистора R33 на

інвертуючий вхід ОП – на цей вхід подається частина вихідного сигналу з дільника

R33R1.

Рисунок 9. Інвертуючий підсилювач на ОП.

Неінвертуючий вхід з'єднується із спільною точкою схеми (точкою з нульовим

потенціалом). Вхідний сигнал через резистор R1 подається на інвертуючий вхід ОП.

Кола живлення і ланцюги корекції тут і надалі не показано.

Виходячи з наведеного вище, а саме: вважаючи ОП за ідеальний, при аналізі

схем з ОП слід виходити з наступних положень:

1) коефіцієнт підсилення ОП нескінченний;

2) входи ОП струму не споживають (RвхOП = ∞);

3) у вихідних колах ОП падіння напруги відсутнє (RвихOП =0);

4) якщо ОП охоплено ВЗЗ і він працює в лінійному режимі (в режимі

підсилення, а не насичення), різниця потенціалів між його входами UвхОП = U0 = 0

Доведемо останнє положення.

вхОПUOПвихОП UKU ⋅=

UOП

вихОПвхОП K

UU =

Якщо КUOП → ∞, то UвхОП → 0.

Реально UвхОП = U0 не дорівнює. Але це настільки незначна величина, що для

більшості схем на ОП нею можна знехтувати.

Дійсно, якщо, наприклад, UвихОП = 10 В (це майже відповідає насиченню), а

188

КUOП = 100000, то U0 = 100 мкВ.

Оскільки на неінвертуючий вхід подана напруга Uн = 0 (він з'єднаний з

нульовою точкою), a U0 = 0, то і потенціал інвертуючого входу також дорівнює

нулю (віртуальний нуль). У результаті джерелом вхідного сигналу пристрій

сприймається як Rl – вхідний опір підсилювача дорівнює величині резистора R1.

З першого закону Кірхгофа для вузла а маємо:

І1 = І33

Тобто 331 R

UR

U вихвх −=

ОП, забезпечуючи рівність U0 = 0, створює на виході таку напругу, щоб

відвести струм І1 через резистор R33.

Тоді 1

3333 R

RUUK

вх

вихU −==

Отже, КUOП залежить лише від співвідношення опорів резисторів дільника

ВЗЗ. Знак «–» вказує на інверсію вхідного сигналу.

Вхідний опір схеми дорівнює величині R1

Якщо R33 > R1, то вхвих URRU

1

33−= – маємо інвертуючий масштабний

підсилювач (з масштабним коефіцієнтом 1

3333 R

RKU −= .

При R33 = R1, КUOП = –1 – схема набуває властивостей інвертуючого

повторювача вхідної напруги (інвертор сигналу).

Неінвертуючий підсилювач

Неінвертуючий підсилювач, схема якого зображена на рисунку 10, можна

отримати, якщо ввести послідовний ВЗЗ за напругою на інвертуючий вхід, а вхідний

сигнал подати на неінвертуючий вхід ОП.

189

Рисунок 10. Неінвертуючий підсилювач на ОП.

Тут UH = Uвх, а вхідний струм Івх = 0, бо RвхОП = ∞.

Оскільки U0 = 0, то UR1 = Uвх, а 331

IR

U вх = .

З іншого боку

13333 RR

UI вих

+=

Отже, 1331 RR

UR

U вихвх

+= ,

звідки ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

1

331RRUU вхвих .

Тоді коефіцієнт підсилення нсінвертуючого підсилювача

1

3333 1

RR

UUK

вх

вихU +==

Якщо R33 = 0, a R → ∞, одержимо неінвертуючий повторювач, схему якого

зображено на рисунку 11.

190

Рисунок 11. Повторювач напруги на ОП.

Неінвертуючий та інвертуючий підсилювачі широко використовуються як

високостабільні підсилювачі різного призначення. Причому, неінвертуючий має

великий вхідний опір (теоретично – нескінченний) і використовується для

підсилення сигналів джерел з високим вихідним опором.

Перетворювач струму в напругу

Схема перетворювача, зображена на рисунку 12, є варіантом схеми рисунку 10

за умови, що R =0.

Рисунок 12. Перетворювач струму в напругу

При цьому

3333 R

UII вихвх −==

звідки

33RIU вхвих −=

191

Малі значення вхідного та вихідного опорів зазначеної схеми є її важливою

перевагою при використанні як перетворювача струму джерела вхідного сигналу у

напругу.

Інвертуючий суматор

Схема інвертуючого суматора зображена на рисунку 13.

Рисунок 13. Інвертуючий суматор.

Він виконаний за типом інвертуючого підсилювача з кількістю паралельних

гілок на вході, що дорівнює числу сигналів. Якщо опори всіх резисторів схеми

однакові

вхОПn RRRRR <<==== ...2133

то при ІвхОП = 0 маємо:

nIIII +++= ...2133

або

)...( 21 nвих UUUU +++−=

Останнє співвідношення відбиває рівноправну вагову участь доданків у їх

сумі. Підсумовування може виконуватись також з різними ваговими коефіцієнтами

для кожного з доданків.

Досягається це використанням різних значень опорів резисторів у вхідних

гілках

192

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++−= n

nвих U

RRU

RRU

RRU 33

22

331

1

33 ...

Неінвертуючий суматор

Неінвертуючий суматор можна отримати шляхом послідовного з'єднання

суматора (рисунок 13) та інвертора (рисунок 9). Але на основі неінвертуючого

підсилювача (рисунок 10) його можна створити значно простіше – як це показано на

рисунку 14.

Рисунок 14. Неінвертуючий суматор.

При U0 = 0 напруга на обидвох входах ОП однакова і складає:

133

1

RRRUU вих

н +=

Оскільки струм неінвертуючого входу дорівнює нулю (тому що RвхОП → ∞),

маємо:

0...21 =−

++−

+−

RUU

RUU

RUU нnнн

або вихn URR

RnUUU331

121 ...

+=+++

звідки )...( 211

331nвих UUU

nRRRU +++

+=

193

11

331 =+nR

RR, і тоді nвих UUUU +++= ...21

Інтегруючий підсилювач (інтегратор)

Схема інтегратора, зображена на рисунку 15. Вона створюється заміною в

схемі інвертуючого підсилювача (рисунок 9) резистора зворотного зв'язку R33

конденсатором С.

Рисунок 15. Інтегратор.

Оскільки RвхОП = ∞, то маємо:

ÑR ²² =

і dtduC

RU вихвх −=

1

або

0

1

0

1вихвихвх Udtu

RCU +−= ∫

Як правило, при t = 0

00 == вихС UU , тому

dtuRC

U вхвих ∫−=1

0

1

RC = τ – постійна часу. Реальному масштабу часу відповідає τ = 1 с При

194

подачі на вхід постійної напруги, струм, що заряджає конденсатор, має постійну

величину RU вх

(не залежить від ступеня заряду конденсатора) і конденсатор

заряджається рівномірно, а вихідна напруга зростає лінійно. Тому інтегратор часто

застосовують як основу генераторів лінійних напруг.

На рисунку 16 зображені часові діаграми роботи інтегратора при подачі на

його вхід постійної напруги.

Рисунок 16. Часові діаграми роботи інтегратора.

При τ2 – параметри схеми вибрані неправильно, бо не забезпечується

виконання інтегрування за весь час дії вхідного сигналу (ОП входить у режим

насичення).

Диференціюючий підсилювач (диференціатор)

Схема диференціатора наведена на рисунку 17.

Рисунок 17. Диференціатор.

195

Від схеми інтегратора (рисунок 15) вона відрізняється заміною місцями

резистора і конденсатора. Тут:

33ІІC =

dtduCI вих

C −=

3333 R

UI вих−=

33RU

dtduC вихвих −=−

dtduRCU вх

вих 33−=

τ=СR33 ;

dtduU вх

вих τ−=

Постійну часу τ необхідно вибирати так, щоб у процесі диференціювання

дотримувалась нерівність Uвих < U–вих m.

Компаратори (схеми порівняння)

Компаратори – це електронні пристрої, призначені для порівняння напруг.

Схема найпростішого компаратора зображена на рисунку 18, а. Він виконує

порівняння вхідного сигналу Uвх з опорною напругою Uоп. Сигнал на виході ОП

змінює полярність, коли ці напруги зрівнюються, як показано на часових діаграмах

роботи компаратора, наведених на рисунку 18, б.

196

Рисунок 18. Компаратор (а) і часові діаграми його роботи (б).

Коли Uoп = 0, маємо нуль-орган, що фіксує відхилення U від нульового

значення.

Компаратор - це чи не єдине використання ОП без зворотних зв'язків, коли

напряму використовується його великий коефіцієнт підсилення: найменша різниця

потенціалів між входами призводить до насичення ОП. При цьому маємо знак

вихідної напруги «+», коли напруга на неінвертуючому вході більш позитивна ніж

на інвертуючому і «–», коли навпаки.

Живити ОП у даному разі можна і від однополярного джерела, бо він

фактично порівнює синфазні напруги.

Підсилювач змінного струму на ОП з однополярним живленням

Забезпечення підсилення сигналів змінного струму при однополярному

живленні ОП вирішується тими ж методами, що і в транзисторному підсилювачі

класу А. А саме: введенням зміщення і розділяючих конденсаторів. Схема

підсилювача наведена на рисунку 19.

197

Рисунок 19. Підсилювач змінного струму з однополярним живленням.

Тут R1R2 – дільник, що задає зміщення точки спокою, С1, С3 — розділяючі

конденсатори. Дільник сигналу зворотного зв'язку R3 , R4 забезпечує коефіцієнт

підсилення у даному разі KU = 101. Конденсатор С2 забезпечує роботу за постійним

струмом як повторювача напруги, щоб виключити підсилення сигналу зміщення

нуля.

198


ОСНОВНІ ТИПИ АНАЛОГОВИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ

1. Поясніть, які проблеми виникають при підсиленні сигналів постійного

струму? Що таке дрейф нуля підсилювача постійного струму?

2. На чому грунтується принцип дії балансного підсилювача постійного

струму? Наведіть схему такого підсилювача.

3. Що таке диференційний підсилювач постійного струму? Наведіть його

схему і поясніть принцип її дії.

4. Як працює підсилювач постійного струму з подвійним перетворенням?

5. Що таке операційний підсилювач, як він побудований і які його

властивості?

6. Наведіть основні параметри і характеристики операційного підсилювача.

7. Наведіть схеми і поясніть принцип дії інвертуючого підсилювача на

операційному підсилювачі, неінвертуючого підсилювача, перетворювача струму в

напругу, інвертуючого і неінвертуючого суматорів, інтегратора, диференціатора,

компаратора.

8. Визначити коефіцієнт підсилення інвертувального підсилювача на базі ОП,

якщо опір резистора зворотного зв’язку 910 кОм, опір резистора на інвертуальному

вході 17,5 кОм.

9. Назвіть схеми на базі ОП для реалізації математичних функцій.

10. Як впливає зворотний зв'язок ОП на його передатну характеристику?

199

ТЕМА: ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

ЦИФРОВИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ (ЦІС)

Елементарні логічні операції

Цифрові інтегральні схеми являють собою електронні функціональні вузли,

які дозволяють створювати майже всі блоки ЕОМ та різні пристрої дискретної

автоматики. У таких системах зазвичай інформація подається та обробляється за

допомогою двійкових чисел. Інформаційні сигнали в ЦІС, тобто цифрові сигнали,

мають бінарну природу – фіксують два визначені стани. Для цього використовують

електронні ключі, які можуть перебувати в одному з двох станів. Два визначені

стани фіксуються одним з двох значень електричної величини: наявністю або

відсутністю імпульсу, високим або низьким рівнем потенціалу. Такі сигнали, які

набувають двох дискретних значень, називають двійковими змінними. Змінні

величини та функції від них, які набувають лише двох значень – 0 і 1 – називають

також логічними змінними і логічними функціями. Властивості логічних функцій

вивчає алгебра логіки (алгебра Буля), а пристрої, що реалізують логічні функції,

називають логічними елементами. Цю алгебру і більшість термінів взято

безпосередньо з математичної логіки, а тому, аналізуючи ЦІС, замість термінів

«цифрова змінна», «цифрова операція» вживають терміни «логічна змінна»,

«логічна операція».

Двійкові числа в потенціальних ЦІС подаються двома рівнями напруги:

високим і низьким. За способом кодування сигналів розрізняють позитивну і

негативну логіки. У позитивній логіці високому рівню напруги приписують стан

логічної одиниці, а низькому – логічного нуля, у негативній логіці – навпаки.

Найпростішою логічною функцією є функція НІ, яку називають також

логічним запереченням або інверсією. Таку функцію позначають рискою над

змінною:

XY =

і читають так: Y дорівнює НІ X. Логічну функцію НІ реалізує логічна

мікросхема НІ, умовне графічне позначення якої показано на рисунку 1, а. Для

200

виконання такої операції можна використовувати простий ключ на БТ із СЕ (див.

рис. 4.24) або на ПТ із спільний витоком (див. рис. 5.5). Ці ключі інвертують сигнал.

Рисунок 1. Умовне графічне позначення найпростіших логічних функцій: а –

інверсія; б – диз'юнкція; в – кон'юнкція; г – І – НІ; д – АБО – НІ.

Логічна функція АБО називається диз'юнкцією (логічним додаванням); її

позначають символом (+) або V (від лат. vel - або):

mm VXVVXVXXXXXXY ...... 321321 =++++=

Логічна функція АБО справжня тоді, коли справжні хоча б одна змінна або

декілька змінних. Схема, що реалізує цю функцію, називається логічною схемою

АБО (схемою збирання) і має умовне графічне позначення (рис. 6.45, б) (символом 1

позначено функцію АБО). Таку операцію може виконувати, наприклад, емітерний

повторювач, якщо до його входу (бази) увімкнути декілька джерел інформаційних

сигналів. У такому випадку сигнал на виході сформується, якщо інформаційний

сигнал поступатиме хоч би на один вхід (на 1-й або 2-й або 3-й і далі, або на

декілька входів, або ж на всі входи).

Логічна функція І називається кон'юнкцією (логічним множенням) і

позначається символами (•) або ∩:

mm XXXXXXXXY IIII ...... 321321 =••••=

Логічна функція І справжня тоді, коли справжні всі логічні змінні X. Логічну

функцію І реалізують логічні мікросхеми І (символом & позначена функція І)

(рисунок 1, в). Таким чином, вихідний інформаційний сигнал формується схемою І

лише в тому випадку, якщо одночасно на всі входи поступають інформаційні

сигнали. Наприклад, для схеми на двох послідовно ввімкнених транзисторах з двома

входами, якщо немає вхідних сигналів Х1 і Х2, на виході формується високий рівень

напруги (обидва транзистори знаходяться в режимі відсікання). Якщо сигнал

поступає на один із входів, то лише один з транзисторів перейде в режим насичення,

а другий залишиться в режимі відсікання і рівень напруги на виході не зміниться.

201

Лише за одночасної дії сигналів Х1 і Х2 обидва транзистори переходять в режим

насичення і на виході формується низький потенціальний рівень (логічний нуль).

Розглянута схема виконує також операцію НІ, тобто ця схема реалізує логічну

функцію 2 І – НІ.

Розглянуті функції (НІ, І, АБО) складають систему простих логічних функцій,

на основі якої, використовуючи лише операцію суперпозиції, можна одержати будь-

яку логічну функцію. Таку систему називають функціонально повною. Крім

згаданих вище, до функціонально повних належать такі системи: (НІ, АБО); (НІ, І);

заперечення кон'юнкції І – НІ (рисунок 1, г, штрих Шеффера); заперечення

диз'юнкції АБО – НІ (рисунок 1, д, стрілка Пірса).

Достатньо мати один логічний елемент, щоб на його основі побудувати різні

логічні схеми. Але такий спосіб потребує великої кількості корпусів ЦІС для

реалізації вузлів і блоків обчислювальної техніки. Тому до складу серії ЦІС

включаються логічні елементи, які не тільки створюють функціонально повну

систему, але і вирізняються великою різноманітністю за кількістю входів-виходів,

що дозволяє мінімізувати об'єм обладания під час конструювання апаратури.

Характеристики і параметри цифрових інтегральних схем

Для оцінки властивостей логічних елементів використовують вхідну, вихідну і

передавальну статичні характеристики. Вхідна характеристика являє собою

залежність Івх = f (Uвх), якщо Івих = 0, і використовується для розрахунку умов

узгодження даного елемента з попереднім в різних режимах роботи. Вихідна

характеристика описується залежністю Івих = f (Uвх), якщо Івх = 0, і дозволяє

розраховувати умови узгодження даного елемента. Передавальна характеристика -

це залежність Uвих = f (Uвх), якщо Івих = 0. Її використовують для визначення порогів

спрацювування елементів і їх завадостійкості у тій чи іншій схемі.

Статичні характеристики дозволяють визначати статичні параметри ЦІС:

потужність споживання в стані логічного нуля Р0спож (PССL) і потужність споживання

в стані логічної одиниці Р1спож (PССН) і середню потужність споживання Рспож.с (PССAV)

– півсуму потужностей, що їх споживає мікросхема від джерел живлення в двох

різних стійких станах; вхідну U0вх(U1L) і вихідну U0

вих(U0L) напруги логічного нуля;

202

вхідну U1вх(U1H) і вихідну U1

вих(U0H) напруги логічної одиниці; вхідний І0вх(І1L) і

вихідний І0вих(І0Н) струми логічного нуля; вхідний І1вх(І1Н) і вихідний І1вих(І0Н) струми

логічної одиниці; струм споживання ІМС у стані логічного нуля IССL, у стані

логічної одиниці (ІССН); вихідну порогову напругу логічного нуля U0вих.пор (UТОL) –

найбільше значення низького рівня напруги ІМС при пороговій напрузі на виході;

вихідну порогову напругу високого рівня U1вих.пор (UТОН) – найбільше значення

напруги високого рівня на виході ІМС при пороговій напрузі на вході; вхідну

порогову напругу високого рівня U1вх.пор (UТІН) – найменше значення напруги

високого рівня на вході ІМС, за якого відбувається перехід ІМС з одного стійкого

стану в інший; вхідну порогову напругу низького рівня U0вх.пор (UТІL) – найбільше

значення напруги низького рівня на вході ІМС, за якого відбувається перехід ІМС з

одного стійкого стану в інший; коефіцієнт об'єднання за входом KNI – кількість

входів мікросхеми, за яким реалізується логічна функція; коефіцієнт розгалуження

за виходом N – кількість одиночних навантажень, які можна одночасно підключати

до виходу мікросхеми; допустиму напругу статичної завади Uст.з – найбільшу

допустиму напругу статичної завади для високого й низького рівнів вхідної напруги,

за якої ще не відбувається зміна рівнів вихідної напруги мікросхеми.

Властивості ЦІС в режимі перемикання характеризують динамічні параметри

(рисунок 2, б): t 0,1 (t TLH) – тривалість переходу логічної мікросхеми зі стану

логічного нуля у стан логічної одиниці; t 0,1 (t TLH) – тривалість переходу ІМС із

стану логічної одиниці у стан логічного нуля; t 1,0затр (t DHL) – тривалість затримки

вмикання (інтервал часу між вхідним та вихідним імпульсами під час зміни напруги

на виході ІМС від напруги логічної одиниці до напруги логічного нуля); t 0,1затр (t DLH)

– тривалість затримки вимикання ІМС (інтервал часу між вхідним та вихідним

імпульсами під час зміни напруги на виході ІМС від напруги логічного нуля до

напруги логічної одиниці); t 1,0затр.пош (t РHL) – тривалість затримки поширення

сигналу під час вмикання (інтервал часу між вхідним та вихідним імпульсами під

час зміни напруги на виході від напруги логічної одиниці до напруги логічного

нуля, виміряний на рівні 0,5 амплітуди імпульсів); t 0,1затр (t РHL) – тривалість

затримки поширення сигналу під час вимикання ІМС (інтервал часу між вхідним та

вихідним імпульсами під час зміни напруги на виході ІМС від логічної нуля до

логічного одиниці), виміряний на рівні 0,5 амплітуди імпульсів); t 1,0затр.пош (t РAV) –

203

середня тривалість затримки поширення (інтервал часу, що дорівнює півсумі часу

затримки поширення сигналу в моменти вмикання та вимикання ІМС).

Рисунок 2. Визначення параметрів ЦІС: а – передавальна характеристика

інвертора; б – осцилограми вхідних та вихідних імпульсів.

Цифрові ІМС характеризуються широким діапазоном електричних параметрів.

Найважливішим їх показником, що визначає багато властивостей та область

використання, є швидкодія. Із цим параметром безпосередньо пов'язаний другий

важливий показник– потужність, що споживається від зовнішнього джерела

живлення. Чим вища частота перемикання схеми, тим витрачається більша

потужність. У свою чергу, ця потужність визначає рівень потужності, яка

розсіюється елементами ІМС, а через цей показник – допустиму щільність

розміщення елементів у напівпровідниковому кристалі, тобто рівень інтеграції.

Електронні ключі в ЦІС, перебуваючи в режимі насичення або відсікання,

розсіюють незначну потужність (РC = ICUCE). У цих режимах або струм малий, або

напруга мала. Потужність, що розсіюється транзисторами, значно зростає під час

перемикання, коли струм вже збільшився, а напруга ще не зменшилася до напруги

насичення. Сумарна тривалість такого перехідного стану тим більша, чим більша

частота інформаційних сигналів. Зрозуміло, що тривалість перемикання

визначається затримкою вмикання - вимикання ключів.

204

Час затримки сигналів збільшує роботу перемикання, яка визначається

добутком тривалості затримки на потужність, що споживається.

Класифікація цифрових інтегральних схем

Цифрові інтегральні мікросхеми характеризуються широким діапазоном

виконуваних функцій та багатьма варіантами конструкторсько-технологічного

виконання.

Цифрові інтегральні мікросхеми, як і АІС, випускаються серіями. Мікросхеми

однієї серії мають однакові напруги живлення, електричні та експлуатаційні

характеристики і у разі сумісного використання не потребують додаткових

елементів.

Належність ІМС до тієї чи іншої серії показують в її умовному позначенні.

Серед великої кількості серій ЦІС виділяються такі групи: серії функціонально

повного складу; серії, які спеціалізуються за функціональним призначенням;

мікропроцесорні комплекти великих ІМС. До серії функціонально повного складу

належать ІМС різного функціонального призначення: логічні, тригери, регістри,

лічильники, дешифратори, кодоперетворювачі і т. ін. Чим ширший функціональний

склад серії, тим краще вона забезпечує виконання вимог до мікроелектронної

апаратури, таких, як надійність, компактність, економічність, технологічність,

зручність експлуатації та ремонту. Деякі серії складаються з 100 і більше типів ІМС.

Прикладами серій ІМС з розвинутим функціональним складом можуть бути серії

К500, К155, К555, К561, К564 і т. ін. Такі серії можна називати універсальними,

оскільки вони мають широку область використання.

Серії ІМС, які об'єднуються за функціональним призначенням,

характеризуються вужчою спеціалізацією. До них належать: серії ІМС пам'яті

(К537, К565, К556, К573, К1601 та ін.); серії ІМС узгодження з лініями передачі і

керування різними пристроями – інтерфейсні ІМС (К169, К170, К1102); серії ІМС

аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворень (К572, К1107, К1113 та ін.);

серії ІМС вторинних джерел живлення тощо.

До мікропроцесорних комплектів ВІС належать ІМС, які необхідні для

побудови мікропроцесорних обчислювальних систем та пристроїв керування. Сюди

205

відносять мікропроцесори, ВІС введення-виведення, таймери, генератори, різні

допоміжні ІМС. Прикладами мікропроцесорних комплектів є ІМС К580, К1810,

К588, К1801, К1862, К1804 та ін.

Докладно сучасні великі ІМС, складні функціональні вузли, їх структура,

принципи будови, номенклатура та призначення розглядаються у відповідних

підручниках радіоелектронного профілю, а також у навчальній дисципліні

«Цифрова та мікропроцесорна техніка».

Розглянемо лише елементну базу таких пристроїв, основу якої складають

інтегральні логічні елементи (ІЛЕ). Такі елементи, з одного боку, пов'язані з

технологією і типом активного приладу, а з іншого боку, їх параметри чинять

безпосередній вплив на параметри вузлів та систем. Вибір типу ІЛЕ значною мірою

визначає якісні показники апаратури.

Логічні ІМС належать до мікросхем комбінаційного типу. Вони не мають

елементів пам'яті (тригерів), а їх стан одночасно визичається комбінацією вхідних

сигналів і не залежить від попереднього стану.

У цифрових пристроях і системах як базові елементи найширше застосовують

такі ІЛЕ: НІ, І, АБО, І – НІ, АБО – НІ і т. ін.

Промисловість випускає різноманітні ІЛЕ. Залежно від типу базових ключів

виділяють такі типи інтегральних логічних схем:

– діодно-транзисторна логіка (ДТЛ);

– резисторно-транзисторна логіка (РТЛ);

– резисторно-ємнісна транзисторна логіка (РЄТЛ);

– транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ);

– емітерно-зв'язана транзисторна логіка (ЕЗТЛ);

– транзисторно-транзисторна логіка з бар'єром Шотткі (ТТЛШ);

– логіка на МОН-структурах (МОНЛ);

– логіка на комплементарних МОН-структурах (КМОН);

– інжекційно-інтегральна логіка (І2Л).

206


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

ЦИФРОВИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ (ЦІС)

1. Поясніть, що таке логічна (двійкова) змінна, логічна функція?

2. Назвіть статичні і динамічна параметри ЦІС.

3. Накресліть УГП логічних схем 2 І – НІ; 3 АБО; 2 АБО – НІ

4. Наведіть таблицю істинності логічного елемента 3 І – НІ

5. Які ви знаєте типи інтегральних логічних логік?

6. Поясніть поняття логічних величин (логічний нуль та логічна одиниця).

7. Поясніть принцип роботи логічного елемента НІ на базі транзисторного

ключа.

8. Наведіть передавальну характеристику інвертора.

9. Які параметри характеризують швидкодію ЦІС?

10. Запишіть таблицю істинності логічної функції кон’юнкція.

207

ТЕМА: ТРАНЗИСТРНО-ТРАНЗИСТОРНА ЛОГІКА (ТТЛ)

Транзисторно-тразисторні логічні елементи виникли в інтегральній

схемотехніці як результат розвитку схем ДТЛ завдяки заміні матриці діодів

багатоемітерним транзистором – інтегральним активним елементом, що об'єднує

властивості діодних логічних схем та транзисторного підсилювача. Логічна функція

І в ТТЛ-ключі реалізується в спільній для декількох емітерів базовій та колекторній

областях. Основна структурна відмінність багатоемітерного транзистора від

звичайних транзисторів полягає в тому, що він має декілька емітерів, розміщених

таким чином, що пряма взаємодія між ними через роз'єднувальну їх пасивну ділянку

бази майже виключається. Таким чином, багатоемітерний транзистор являє собою

сукупність декількох транзисторів, що мають спільний колектор. Такі транзистори

безпосередньо взаємодіють один з одним внаслідок руху основних носіїв.

Розглянемо принцип дії таких ІЛЕ на прикладі схеми восьмивходового ТТЛ

елемента І - НІ (рисунок 1).

Рисунок 1. Принципова схема восьмивходового ТТЛ-елемента І - НІ.

Схема містить багатоемітерний транзистор VT\, прості п-р-п транзистори

(VT2, VT5, VT4), а також резистори R1 – R4 та діод VD1. Така схема працює на

велике ємнісне навантаження при високій швидкодії та завадостійкості.

Передавальну характеристику цієї схем показано на рисунку 2.

208

Рисунок 2. Передавальна характеристика ІЛЕ.

Схема базового ТТЛ-ключа складається з таких елементарних каскадів:

вхідного багатоемітерного транзистора VT1 з малим інверсним коефіцієнтом

підсилення за струмом, фазороз-щеплювального каскаду на транзисторі VT2

(формує сигнали протилежних полярностей на колекторі та емітері), двотактного

вихідного каскаду (VТ3, VT4). Транзистор VT4 розрахований на великий робочий

струм і має малий час виходу з режиму насичення у разі перемикання схеми. Через

цей транзистор протікають на землю вхідні струми наступних ключів - навантажень.

У початковому стані на всі емітери багатоеміторного транзистора подається низький

рівень потенціалу (логічний нуль, U01...U0

8). Емітерні переходи багатоеміторного

транзистора відкриті. У колі бази транзистора VT1 проходить великий струм, який

викликає спад напруги на резисторі R1. Потенціал бази знижується до 0,8 В і не

може відкрити три р-п-переходи: база - колектор транзистора VT1, база - емітер

транзистора VT2 та база - емітер транзистора VT4. Для того, щоб відкрити ці

переходи, необхідно забезпечити потенціал близько 3 · 0,6 = 1,8 В. Такі умови

забезпечують потенціал на базі транзистора VT4, близький до нуля, а тому він

знаходиться в режимі відсікання. У такому ж стані знаходиться і транзистор VT2, а

отже, на його колекторі формується потенціал, близький до напруги джерела

живлення +ЕС (+5В), що переводить транзистор VТ3 в режим насичення і відкриває

діод VD1, викликаючи струм І1вих. На виході ІЛЕ (на колекторі транзистора VT4)

формується рівень логічної одиниці (U1вих = ЕС).

209

Такий стан зображається ділянкою 1-2 передавальної характеристики (рисунок

2). Він залишається без змін, якщо на один, два, або на сім входів багатоеміторного

транзистора подаються інформаційні сигнали високого рівня (логічна одиниця). При

цьому навіть один восьмий відкритий емітер-ний перехід транзистора VT1 буде

шунтувати інші закриті переходи, потенціал бази через спад напруги на R1

залишиться невеликим і недостатнім для відкривання транзисторів VT2 та VT4, а

тому потенціальний рівень на виході залишиться без змін.

Лише у разі одночасного запирання всіх емітерних переходів багато-

еміторного транзистора (подачі логічної одиниці на всі 8 входів) стан транзисторів

VT1 - VT4 зміниться При цьому струм бази VT1 і спад напруги на резисторі R1

зменшуються, потенціал бази зростає до 1, 2 В, його колекторний перехід

відкривається. Багатоемітерний транзистор переходить в інверсний режим,

забезпечуючи перемикання VT2 в режим насичення і збільшення його струму.

Збільшення спаду напруги на резисторі R3 викликає зріст потенціалу бази VT4 і він

перемикається в режим насичення. Одночасно збільшення спаду напруги на

резисторі R2 зменшує потенціал колектора транзистора VT2. Відкритий транзистор

VT4 шунтує резистор R3, що різко збільшує коефіцієнт передачі транзистора VT2 та

викликає подальше зменшення потенціалу його колектора. Це зумовлює запирання

транзистора VT3. Існує інтервал часу, коли транзистор VT4 вже відкрився, а

транзистор VT3 ще не закрився (рисунок 2, ділянки 2–3 та 3–4 передавальної

характеристики ІЛЕ). Це призводить до небажаного стрибка струму та збільшення

потужності, що споживається від джерела живлення в динамічному режимі. Час

затримки сигналів збільшує час перемикання. Чим більшою є частота

інформаційних сигналів, тим тривалішим стає сумарний час перемикання, і

потужність, що розсіюється транзисторами, зростає. Допустима потужність, яка

може бути відведена від ІМС, обмежує максимальну швидкодію.

На прикладі типової схеми ТТЛ показано взаємозв'язок швидкодії та

енергоспоживання.

Транзистор VT4 зрештою переходить в режим насичення, а транзистор FТ3 – в

режим відсікання. На виході формується низький рівень потенціалу – логічний нуль.

Так відбувається реалізація логічної функції 8 І – НІ.

Для одержання передавальної характеристики всі вісім емітерів бага-

210

тоеміторного транзистора об'єднуються і подають вхідну напругу. Коли вона

збільшиться до рівня порогової напруги Uпор1 = 0,8 В (точка 2 на передавальній

характеристиці) транзистор VT2 починає пропускати струм, але транзистор VT4 ще

знаходиться в режимі відсікання. З подальшим збільшенням вхідної напруги до

значення напруги Unop2 = 1,25 В транзистор VT2 відкривається, а транзистор VT4

тільки починає проводити струм (точка 3 на передавальній характеристиці) і

переходить в режим насичення (ділянки 3–4 передавальної характеристики).

Ділянка характеристики 4-–5 відповідає режиму насичення транзисторів VT2 і VT4.

Потенціали колекторів транзисторів VТ3 і VT4 відповідно дорівнюють 1,2 і 0,3 В. їх

різниця (0,9 В) недостатня для відкривання транзистора VT3 та переходу діода VD1.

Наявність діода забезпечує зміщення рівня відкривання транзистора VT3 та надійне

запирання його, якщо U0вих = 0,3 В).

Вихідний каскад розглянутої ТТЛ-схеми є двотактним. Під час формування на

виході логічної одиниці транзистор VT4 закритий, a VT3 – відкритий. Через нього і

діод VD1, зміщений у прямому напрямі, заряджається паразитна ємність великим

струмом, а отже, з малою сталою часу. Під час перемикання в стан логічного нуля

паразитна ємність розряджається через відкритий транзистор VT4. Це дозволяє, як і

в комплементарних ключах, значно підвищити швидкодію. Таким чином,

розглянута схема забезпечує можливість роботи на велике ємнісне навантаження з

високою швидкодією та завадостійкістю.

Швидкодія ІЛЕ характеризується декількома параметрами, зокрема, часом

затримки поширення під час вмикання та вимикання. Для стандартних ТТЛ-схем

при температурі 25 °С коефіцієнт розгалуження за виходом N = 10 і Сн = 15 пФ. Ці

параметри відповідно дорівнюють t 1,0затр.пош = 7 нс; t 0,1

затр.пош = 13 нc. Такі схеми

споживають 10...20 мВт на вентиль.

Промисловість випускає декілька різновидів серій ТТЛ. Це стандартні серії

133, К155 (функціональні аналоги серій SN 54 Н/74Н, розроблені фірмою Texas

Instruments), серії з високою швидкодією 130, К131 (функціональні аналоги серій

SN54 Н/74H, тут Н позначає підвищену швидкодію), мікропотужні серії 134

(функціональні аналоги серій SN54L/74L, тут L позначає малу потужність).

Для побудови вузлів ЕОМ та пристроїв дискретної автоматики середньої

швидкодії використовують ТТЛ серій К134, К158 (частота перемикання до 3 МГц),

211

К155, 133 (частота перемикання до 10 МГц), високої швидкодії – серії 130, К131

(частота перемикання до 30 МГц), для пристроїв з малим споживанням потужності –

серії 134, 734 (безкорпусні). Для створення пристроїв з високою швидкодією і

малим споживанням потужності розроблено серії 530, К53І, К555.

Для оптимального поєднання типів ІЛЕ під час проектування PEA в одному

корпусі розміщують декілька схем, які виконують різні логічні операції. Так, у

складі серії К155 є схема К155ЛА1 (два елементи 4 І – НІ), К155ЛА2 (елемент

8 І – НІ), К155ЛЛ1 (чотири елементи 2 АБО), К155ЛН1 (шість елементів НІ).

Деякі схеми мають відкритий колекторний вихід, що дозволяє підключати до

них різні зовнішні навантаження (елементи індикації, компоненти зі струмовим

керуванням, наприклад, реле тощо).

У багатьох реалізаціях ТТЛ-елементи мають у вхідних колах захисні діоди

(рис. 6.50), які запобігають пробою емітерних переходів транзисторів вхідними

сигналами та завадами негативної полярності.

Інтегральні логічні елементи серії ТТЛ характеризуються високою

швидкодією, незначним споживанням електроенергії та високою завадостійкістю,

що зумовило їх широке використання.

212


ТРАНЗИСТРНО-ТРАНЗИСТОРНА ЛОГІКА

1. Наведіть УГП багатоемітерного транзистора.

2. Яка логічна функція виконується багатоемітерним транзистором?

3. У яких режимах працюють транзистори ТТЛ.

4. Як називається каскад, виконаний на VТ2?

5. Чому вихідний каскад на VТ3, VТ4 називається двотактним?

6. Наведіть таблицю істинності логічного елемента 2і – Ні з трьома стаканами

на виході.

7. Яку можливість має логічний елемент ТТЛ з відкритим колектором?

8. Які переваги мають серії ІС ТТЛ?

9. Користуючись довідником, розшифруйте позначення ІС:

133ЛН1; К155ЛА3; К555ЛИ4

10. Для чого у вхідних колах ТТЛ використовують діоди?

213

ТЕМА: ЕМІТЕРНО–ЗВ’ЯЗАНА ТРАНЗИСТОРНА ЛОГІКА (ЕЗТЛ)

Інтегральні логічні елементи на основі емітерно-зв'язаної логіки стали

ефективним результатом вирішення проблеми підвищення швидкодії ключів на БТ.

Основу емітерно-зв'язаної логіки складає перемикач струму на двох

транзисторах із зв'язаними емітерами (рисунок 1) і двома фазоінверсними виходами

– Uвих1 і Uвих2.

Рисунок 1. Схема перемикача струму.

Обробляючи цифрові сигнали, фіксують два рівні (логічної одиниці та

логічного нуля), і до перемикача струму не висуваються такі вимоги до

термостабілізації, як до диференціальних підсилювачів. Тому в схемах перемикачів

струму не використовують параметричні генератори стабільного струму.

Схему базового логічного елемента емітерно-зв'язаної транзисторної логіки

(ЕЗТЛ) показано на рисунку 2. Емітери транзисторів VT1 – VT4 з'єднані з емітером

транзистора VT5, потенціал бази якого зафіксований за допомогою транзистора VT6

і діодів VD1 та VD2. На виході схеми використовуються два емітерні повторювані

на транзисторах VТ7 та VT8. Це дозволяє підвищити швидкодію ЕЗТЛ за рахунок

прискорення заряду ємності навантаження.

214

Рисунок 2. Базовий елемент серії ЕЗТЛ.

Схема ЕЗТЛ підключається до негативної напруги джерел живлення

V = –5,2 В±5%. Колекторні кола заземляються. Це забезпечує більшу

завадостійкість. Для запобігання впливу на логічну частину схеми імпульсних завад,

які виникають в колекторних колах емітерних повторювачів у момент перемикання

схеми під час роботи на низькоомне навантаження, використовують дві шини

«Земля» і «Спільний вихід 1» та «Спільний вихід 2».

Якщо немає інформаційних сигналів на всіх входах, транзистори VT1 – VT4

знаходяться в режимі відсікання. Струм ІС1 ≈ 0. Тому на колекторах транзисторів, а

відтак і на виході емітерного повторювана на транзисторі VT8 формується рівень

логічної одиниці. Транзистор VT5 відкритий і на виході другого емітерного

повторювана формується рівень логічного нуля. Це інвертований сигнал.

Якщо на один із входів поступає інформаійний сигнал з рівнем логічної

одиниці, стан перемикача змінюється. На виході АБО формується логічна одиниця,

а на виході АБО - НІ – логічний нуль. Таким чином, ІЛЕ реалізує логічні функції 4

АБО - НІ та 4 АБО.

Розглянутий тип ІЛЕ є найбільш швидкодіючим. Схеми ЕЗТЛ можуть

забезпечувати середній час затримки поширення близко 1,3 нс і перемикатися із

частотою понад 2000 Мгц, але при цьому споживають значну потужність і

характеризуються низькою завадостійкістю, мають складнішу схему, дорожчі і

займають більшу площу кристала. Ураховуючи ці особливості мікросхем ЕЗТЛ, їх

практичне застосування обмежується пристроями дуже великої швидкодії.

215

На базі елементів ЕЗТЛ побудовані ІМС серій 100, К193, К500, К570, К1500 та

ін. Нове покоління таких ІЛЕ характеризується вищою швидкодією і меншим

споживанням.

216


ЕМІТЕРНО–ЗВ’ЯЗАНА ТРАНЗИСТОРНА ЛОГІКА

1. За рахунок чого в ЕЗТЛ підвищена швидкодія?

2. Наведіть УГП логічного елемента ЕЗТЛ 4АБО-иі.

3. Назвіть серії ІМС елементів ЕЗТЛ.

4. Складіть таблицю істинності логічного елемента 3АБО-иі.

5. Дайте характеристику ІЛЕ ЕЗТЛ.

217

ТЕМА: ЛОГІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ НА МДН-ТРАНЗИСТОРАХ

Властивості, електричні параметри та характеристики ІЛЕ на МДН-

транзисторах повністю визначаються властивостями електронних ключів, на яких

такі елементи побудовані.

Базові логічні елементи на таких ключах, що реалізують логічну операцію

2 І – НІ зображено на рисунку 1.

Рисунок 1. Логічні елементи 2 І – НІ на МДН-транзисторах: а – з резистивним

навантаженням; б – з динамічним навантаженням.

Для виконання операції І транзистори вмикають послідовно. їх кількість

визначають необхідною кількістю входів m.

Умовне графічне зображення операції 2 І – НІ показано на рисунку 2.

Рисунок 2. Умовне графічне позначення операції 2 І – НІ .

Для побудови таких ІЛЕ використовують МДН-транзистори з індукованими

каналами п- та р-типу, значна порогова напруга яких забезпечує надійний

(завадостійкий) режим відсікання. Якщо немає вхідних інформаційних сигналів,

транзистори VTI і VT2 закриті, на виході формується високий рівень напруги

218

U1вих ≈ +ЕD

Якщо на один із входів подати рівень логічної одиниці (U1вх), відповідний

транзистор відкриється, але другий зостанеться в закритому стані. На виході

залишається рівень логічної одиниці. Тільки за одночасної дії вхідних сигналів

U1вх1 і U1

вх2 на обидва входи транзистори VT1 і VT2 перемикаються в режим

насичення, вихід ІЛЕ підключається до загальної шини (до землі). На виході

формується рівень логічного нуля. У загальному випадку вся група з т транзисторів

створює спільний канал для протікання струму. Для логічних елементів з

резистивним та динамічним навантаженнями (рисунок 1, б) – це струм від джерела

живлення через RD або нелінійний двополюсник на транзисторі VT3.

Для побудови логічних елементів АБО - НІ (рисунок 3) електронні ключі на

МДН-транзисторах об'єднують у паралельну групу за кількістю входів.

Рисунок 3. Логічні елементи 2 АБО - НІ на МДН-транзисторах:

а – з резистивним навантаженням; б – з динамічним навантаженням.

Рисунок 4. Умовне графічне позначення.

Як і в попередньому випадку, коли на всіх m входах діє низький потенціальний

рівень (U0вх), транзистори VTI і VT2 закриті. На виході ІЛЕ формується рівень

логічної одиниці. Стан елемента змінюється, а на виході встановлюється рівень

логічного нуля, якщо хоча б на один вхід (чи на обидва входи одночасно) поступає

219

інформаційний сигнал з амплітудою, що перевищує значення порогової напруги

МДН-транзистора (U1вх > Ugjh).

Допустима кількість входів т у цьому випадку обмежується здебільшого

збільшенням еквівалентної вихідної ємності: Секв = m С0.

Завдяки високому вхідному опору МДН-транзисторів ІЛЕ на їх основі з

навантаженням на подібні елементи мають в статичному режимі досить велику

навантажувальну здатність, яка обмежується зниженням швидкодії з наростанням

еквівалентної ємності навантаження Сн. Стала часу перезарядження вихідної

ємності залежить також і від опору в колі стоку, але із зменшенням RD збільшуються

струм споживання і залишкова напруга та зменшується логічний перепад напруги

вихідного сигналу.

Для забезпечення великого коефіцієнта розгалуження Кроз без зменшення

швидкодії або збільшення потужності, що споживається від джерела живлення,

використовують спеціальні буферні підсилювачі з інвертуванням (рисунок 5, а) або

без інвертування (рисунок 5, б) сигналу. У двокаскадному буферному підсилювачі

перший каскад (транзистори VT1 і VT2) являє собою інвертор з високоомним

навантаженням, але з малою ємністю навантаження. Другий каскад на транзисторах

VТ3 і VT4, виконаний за двотактною схемою, керується протифазними сигналами зі

входу і виходу інвертора. Тому наскрізного струму джерела живлення +ED через

транзистори VТ3 і VT4 немає. Ці транзистори у відкритому стані мають дуже малий

опір. У результаті, якщо споживання енергії є незначним (переважно за рахунок

першого каскаду), буферні підсилювачі забезпечують перезарядження еквівалентної

ємності навантаження С„ через малі опори відкритих транзисторів VТ3 і VT4. При

цьому навантажувальна здатність без втрати швидкодії зростає до Кроз = 20...30. Такі

схеми використовують як розгалужувачі вихідних сигналів у побудові цифрових

пристроїв.

Основна область використання мікросхем типу КМДН – це цифрові пристрої

невисокої швидкодії з обмеженим енергоресурсом. Швидкодія КМДН мікросхем

характеризується частотою перемикання до 3 МГц, а середня тривалість затримки

поширення становить 160...200 нс. При цьому потужність, що споживається на один

вентиль, становить десяті частки мілівата.

Найповніший функціональний склад мають мікросхеми серій К561, 564, К176.

220

Мікросхеми цих серій зберігають працездатність у разі, якщо напруга живлення

змінюється від 3 до 15 В, що дозволяє суттєво знизити вимоги до джерел живлення

відносно їх потужності та якості фільтрації. МДН-структури забезпечують значне

зменшення маси і розмірів цифрових пристроїв.

Нагадаємо, що для формування структур метал - діелектрик - напівпровідник

(МДН) у сучасних приладах широко застовують кремній, а як діелектрик – його

оксид. Тому використовують позначення «МОН-структури», а в довідниках і

технічній літературі вживають термін «логічні елементи на МОН-транзисторах».

221


ЛОГІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ НА МДН-ТРАНЗИСТОРАХ

1. Яка основна область використання ЛЕ на МДН-транзисторах?

2. Перелічіть серії ІМС елементів на МДН-транзисторах.

3. Наведіть схему та УГП ЛЕ 2і – Ні на МДН-транзисторах.

4. Наведіть схему та УГП ЛЕ 2АБО–Ні на МДН-транзисторах.

5. У яких режимах працюють транзистори ЛЕ?

222

ТЕМА: ТРИГЕРИ НА ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТАХ

Тригери в інтегральному виконанні будуються з простих логічних елементів

типу АБО-НІ, І-НІ. Звичайно мікросхема вміщує 1 ÷ 4 тригери із спільними колами

живлення, а інколи і спільними колами синхронізації або керування.

У загальному випадку тригер складається з логічного пристрою керування та

власне тригера як елемента пам'яті. Є велика кількість різноманітних схем тригерів з

різними функціональними можливостями.

Узагальнена структурна схема тригера зображена на рисунку 1.

Рисунок 1. Структурна схема тригера.

Пристрій керування призначений для перетворення сигналів, що надходять до

входів Аі, у вигляд, придатний для керування власне тригером, що виконує функцію

елемента пам'яті.

Тригер має два виходи: – прямий (одиничний), Q Q – інверсний

(нульовий). Входи Аі називаються інформаційними, а входи Сі – тактовими або

синхронізуючими.

За способом занесення інформації тригери поділяються на асинхронні, які

змінюють свій стан одразу після надходження сигналу на певний інформаційний

вхід, і синхронні (тактовані), які спрацьовують не тільки за наявності сигналів на

інформаційних входах, а лише після надходження синхронізуючого (тактового)

сигналу на певний вхід синхронізації.

223

Описують роботу тригерів (і послідовнісних пристроїв взагалі) також за

допомогою логічних функцій або частіше задля наочності за допомогою таблиць

переходів. У таблицях вказують всі можливі комбінації сигналів на інформаційних

входах у даний момент часу (t і ) і стан, в який перейде тригер під дією цих сигналів

в наступний момент часу (t і+l ). Причому, наступний момент часу у асинхронного

тригера настає одразу після зміни комбінації сигналів на інформаційних входах, а у

синхронного – після надходження тактового сигналу (як правило, це імпульс) на

відповідний вхід синхронізації.

Стани тригера в таблицях переходів зазвичай вказують так:

0 – тригер має сигнал на виході = 0 (нульовий стан) незалежно від сигналів

на входах;

Q

1 – тригер має сигнал на виході = 1 (одиничний стан) незалежно від

сигналів на входах;

Q

iQ – стан тригера не змінюється при зміні сигналів на входах;

iQ – стан тригера змінюється на протилежний при зміні сигналів на входах;

X – невизначений стан тригера, коли він після зміни сигналів на входах

рівноможливо може опинитися в нульовому ( Q = 0) або в одиничному ( Q = 1)

стані.

Стверджують, що навіть за найпростішої конфігурації тригерного пристрою,

яка має один інформаційний вхід і два виходи, можна отримати 25 функціональних

різновидів тригерів. При двох входах їх буде вже 625. Практично ж застосовують 6-

8 типів.

Найбільш розповсюджені з них RS-тригери, D-тригери, T-тригери, JK-

тригери. Часто тригери будують як комбіновані: RSD-тригер, RST-тригер і т.п.

RS-тригер

Умовні позначення двовходових асинхронних RS-тригерів з прямими (такими,

що реагують на наявність 1) і інверсними (такими, що реагують на наявність 0)

входами наведене на рисунку 2.

224

Рисунок 2. Умовні позначення RS-тригера з прямими (а) й інверсними (б)

входами.

Свою назву RS-тригер одержав від перших літер англійських слів to set -

встановлювати (S) та to reset - відновлювати (R).

S – інформаційний вхід, призначений для установлення тригера в одиничний

стан ( Q = 1), a R – вхід, призначений для повернення тригера у нульовий стан (

= 0).

Q

Роботу тригерів описують відповідні таблиці переходів, наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 – Таблиці переходів RS-тригерів

а) з прямими входами б) з інверсними входами

t і t і+l t і t і+l

S R Q S R Q

1 0 1 1 0 0

0 1 0 0 1 1

0 0 Q і 1 1 Q і

1 1 X 0 0 X

Схеми таких RS-тригерів, побудованих на елементах І-НІ та АБО-НІ

зображені на рисунку 3.

225

Рисунок 3. RS-тригер з інверсними входами на елементах І-НІ (а) та з

прямими входами на елементах АБО-НІ (б).

Схема і умовне позначення синхронного RS-тригера з прямими входами,

побудованого на елементах І-НІ, наведені на рисунку 4.

Рисунок 4. Синхронний RS-тригер.

Слід зазначити, що тактові входи бувають потенціальні прямі, як у Даному

випадку (тригер змінює свій стан при надходженні сигналу 1 на вхід С), інверсні

(тригер змінює стан при надходженні сигналу 0), або імпульсні, також прямі й

інверсні (коли тригер змінює свій стан при зміні сигналу на тактовому вході з 0 на 1

або з 1 на 0 відповідно).

Тригер D-типу (D-тригер)

D-тригер (від англійського delay - затримка) має два входи: D - інформаційний

та С - тактовий (синхронізуючий): D-тригер синхронний. А це значить, що

інформація, яка надходить на вхід D, запам'ятовується лише при надходженні

синхронізуючого імпульсу на вхід С, тобто із затримкою на час надходження

останнього. Тому D-тригер ще називають тригером затримки.

Умовне позначення D-тригера з прямим імпульсним входом синхронізації та

таблиця переходів наведені на рисунку 5, а часові діаграми його роботи – на

рисунку 6.

226

Рисунок 5. Умовне позначення (а) і таблиця переходів (б) D-тригера.

Рисунок 6. Часові діаграми роботи D-тригера.

Тригер Т-типу (Т-тригер)

Т-тригер (від англійського to toggle - перекидатись) ще називають тригером

поділювачем на два або лічильним тригером. Тригер має тільки один тактовий вхід,

а його стан змінюється на протилежний з надходженням на вхід кожного імпульсу.

Цей тригер використовують для лічення та ділення частоти імпульсів.

Умовне позначення та часові діаграми роботи Т-тригера з інверсним

імпульсним входом наведені на рисунку 7.

227

Рисунок 7. Умовне позначення (а) та часові діаграми роботи (б) Т-тригера.

JK-тригер

Синхронний JK-тригер має два інформаційних входи У і АГ та тактовий С

Умовне позначення та таблиця переходів JK-тригера з прямим імпульсним тактовим

входом наведені на рисунку 8.

Рисунок 8. Умовне позначення (а) та таблиця переходів (б) JK-тригера.

JK-тригер є універсальним, бо він може виконувати роль RS-тригера, якщо

використовувати вхід J як S, а К як R (при цьому таблиця переходів RS-тригера

відповідає першим трьом рядкам таблиці переходів JK-тригера). Якщо задати

одиниці на обох інформаційних входах, JK-тригер стає T-тригером. Схеми

використання JK-тригера як T-тригера та D-тригера зображені на рисунку 9.

228

Рисунок 9. Використання JK-тригера як T-тригера (а) та D-тригера (б).

229


ТРИГЕРИ НА ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТАХ

1. Поясніть, що таке тригери і для чого вони можуть бути застосовані.

2. Наведіть схему та поясніть принцип дії симетричного тригера на біполярних


3. Назвіть і поясніть способи запуску симетричного тригера на біполярних


4. Наведіть узагальнену структурну схему тригера, побудованого на логічних

елементах.

5. Поясніть різницю між асинхронним і синхронним тригерами.

6. Поясніть, як описують роботу тригерів. Наведіть приклади.

7. Поясніть значення термінів «прямий вхід», «інверсний вхід»,

«потенціальний вхід», «імпульсний вхід».

8. Наведіть умовне позначення, таблиці переходів і схеми RS-тригерів з

прямими й інверсними входами, побудованих на логічних елементах.

9. Наведіть схему і поясніть роботу синхронного RS-тригера, побудованого па

логічних елементах І-НІ.

10. Наведіть умовні позначення, таблиці переходів та поясніть роботу D-

тригера, Т-тригера, JK-тригера.

11. Поясніть, чому JK-тригер вважають універсальним. Наведіть та поясніть

приклади його використання для побудови тригерів інших типів.

230

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Васильєва Л.Д., Медведенко Б.І., Якименко Ю.І..Напівпровідниковіприлади./ К:Політехніка, 2003, 385 стор.

2. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка тамікросхемотехніка. К:Каравела, 2003. 360 стор.

3. Стахів П.Г., Коруд В.І., Гамола О.Е., Чернівган В.Я., Мусихіна Н.П.Основи електроніки з елементами мікроелектроніки. Л: 2006. 224 стор.

4. Бойко В.І., Гуржій А.М., Жуйков В.Я. Основи технічної електроніки. К: Вища школа, 2007. 508 стор.

5. Гершунський Б.С.. Основы электроники и микроелектроники. К:Вища школа, 1989. 423 стор.

6. Радіотехніка. Енциклопедичний навчальний довідник/ За ред.Ю.Л.Мазора, Є.А.Мачуського, В.І.Правди. К: Вища школа, 1999. 838 стор.

231

Documents

спеціаліста напрямку 6.050901 «РАДІОТЕХНІКА» …•лектронні прилади та... · зарядів – електричний струм