Лек 1. Лекция 1. Введение. Электропроводность полупроводников, образование и свойства pn перехода
 Скачать 199.83 Kb.
|
|
Лекция №1. Введение. Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n-перехода 1 Введение. 2. Общетехнические и экономические характеристики и система обозначений полупроводниковых приборов. 1 Введение Электроника – отрасль науки и техники, изучающая: 1) физические явления в электровакуумных и полупроводниковых приборах; 2) электрические характеристики и параметры электровакуумных и полупроводниковых приборов; 3) свойства устройств и систем, основанных на применении электровакуумных и полупроводниковых приборов. Первое из этих направлений составляет физические основы электроники, второе и третье – техническую электронику. Промышленная электроника является одним из направлений технической электроники, которая связана с применением электронных приборов и устройств в различных областях промышленности и обслуживанием этих отраслей электронными устройствами измерения, контроля, управления, преобразования электрической энергии, а также электронными технологическими установками. Различные области технической электроники базируются на единой основе – использовании электронных (полупроводниковых и электровакуумных) приборов. Они объединены общностью принципов действия и характеристик основных электронных функциональных устройств (усилителей, генераторов, выпрямителей, логических элементов и т. д.). Эти устройства являются составными частями сложных электронных систем, например электронных регуляторов различных процессов, электронных вычислительных машин. В электронике можно выделить три области: информационную электронику, энергетическую электронику и электронную технологию. 1. Информационная электроника составляет основу электронно- вычислительной и информационно-измерительной техники, а также устройств автоматики. К ней относятся электронные устройства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации, устройства управлении различными объектами и технологическими процессами. 2. Энергетическая электроника связана с устройствами и системами преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и другие устройства. 3. Электронная технология включает в себя методы и устройства, используемые втехнологических процессах, основанных на действии электромагнитных волн различной длины (высокочастотные нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т. д.), электронных и ионных пучков (электронная плавка и сварка и т. д.). Главными свойствами, обусловливающими широкое применение электронных устройств, являются высокая чувствительность, большое быстродействие и универсальность. Чувствительность электронных устройств, называемая пороговой, определяется абсолютным значением входной величины, при котором они начинают работать. Пороговая чувствительность современных электронных устройств составляет: 10 -17 А по току, 10 -13 В по напряжению, 10 -24 Вт по мощности. Большое быстродействие электронных устройств имеет важное значение при автоматическом регулировании, контроле и управлении быстропротекающими процессами, достигающими долей микросекунды. Универсальность заключается в том, что в электрическую энергию, на изменении которой основано действие всех видов электронных приборов, сравнительно легко преобразуются другие виды энергии: механическая, тепловая, акустическая, атомная и др. Подобная универсальность очень важна для промышленной электроники, так как в промышленности используются все виды энергии. Зарождение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства в конце XIX — начале XX в. К этому времени электрическая энергия стала проникать во все сферы человеческой деятельности, что требовало создания новых средств измерения, контроля и управления, более чувствительных, точных и быстродействующих по сравнению с существовавшими механическими и электромеханическими устройствами. Без этого дальнейшее повышение производительности труда становилось невозможным. Кроме того, в связи с бурным развитием промышленности стали необходимы средства быстрой передачи на большие расстояния различного рода информации. Развитие электроники характеризуется постоянным увеличением сложности электронных устройств. В настоящее время принято считать, что сложность электронной аппаратуры каждые пять лет возрастает примерно в 10 раз. В 30—40-е годы в устройствах стали применять огромное количество электронных ламп. Однако выяснилось, что их возможности ограничены: каждая электронная лампа имеет небольшой срок службы, значительные габариты и массу и потребляет при этом большую энергию. Так, например, если электронное устройство состояло из 2000 ламп, то при сроке службы каждой лампы 500 ч оно могло безотказно проработать не более 15 мин. Недостатки электронных ламп при одновременном непрерывном усложнении электронных устройств заставили специалистов разрабатывать электронные приборы с другим принципом действии, которые могли бы заменить по своим функциональным возможностям электронные лампы. Ими оказались полупроводниковые приборы. Применение полупроводниковых приборов в электронике, вычислительной технике, автоматике, энергетике приобрело массовый характер, что определялось их большими достоинствами: высоким к. п. д., долговечностью, надежностью, небольшими габаритами, массой и т. д. Характерным для современного этапа научно-технической революции является применение все более сложной, но и более надежной электронной аппаратуры. Существовавшие десятилетиями методы изготовления аппаратуры из дискретных компонентов стали неприемлемыми, так как не могли обеспечить требуемую сложность при высокой надежности, экономичности, малых габаритах и массе. Первые интегральные схемы были созданы в 1958 г. в США независимо друг от друга Д. Килби и Р. Нойсом, а в 1962 г. был начат их промышленный выпуск. С каждым годом роль и значение интегральной микроэлектроники все больше возрастают. В последние годы широкое развитие получили полупроводниковые интегральные микросхемы. Полупроводниковая интегральная микросхема — микроминиатюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором элементы и соединительные проводники изготавливаются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводникового материала и имеют общую герметичную оболочку. Важной особенностью микроэлектроники является разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия, снижению потребления энергии. Так, возможность размещения в одном кристалле 5000 транзисторов позволила создать наручные электронно-цифровые часы. Наличие 20 000 транзисторов при таких же размерах кристалла вызвало появление микрокалькуляторов. Значительный прогресс и электронике заметен в создании больших интегральных схем (БИС). В этих микросхемах количество элементов достигает нескольких сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2- 3 мкм. Быстродействие БИС измеряется миллиардными долями секунды. Создание БИС привело к появлению микропроцессоров (устройств цифровой обработки информации, осуществляемой по программе). В последние десятилетия широкое развитие получил новый раздел науки и техники - оптоэлектроника. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, а также процессы распространения излучения в различных средах. Преимуществом оптоэлектроники являются практически неисчерпаемые возможности повышения рабочих частот и использование принципа параллельной обработки информации. 2 Общетехнические и экономические характеристики и система обозначений полупроводниковых приборов К общетехническим и экономическим характеристикам полупроводниковых приборов относятся масса, механическая прочность, термостойкость, надежность, т. е. параметры, определяющие экономичность и возможные области эксплуатации электронных устройств. Рассмотрим эти параметры. Масса полупроводниковых приборов невелика, определяется в основном массой корпуса и выводов. Поэтому масса маломощных бескорпусных приборов составляет 0,01—0,1 г, масса приборов, заключенных в металлический корпус, — 1—10 г. И только мощные диоды, транзисторные сборки и тиристоры имеют массу 0,1—0,5 кг. Механическая прочность полупроводниковых приборов довольно высока. Большинство из них выдерживает вибрационные ускорения (10—100) g, удары с ускорением (50—500) g. Рабочие температуры для германиевых приборов, как правило, колеблются от Для кремниевых приборов предел рабочих температур может достигать Надежность полупроводниковых приборов удобно характеризовать средним временем безотказной работы, которое при правильной эксплуатаций составляет 10 5 -10 7 ч. Давление окружающего воздуха при работе полупроводниковых приборов может колебаться в широких пределах. Большинство приборов надежно работает при давлениях от 7∙10 2 до 3∙10 5 Па. Стоимость полупроводниковых приборов при их массовом изготовлений весьма низкая и имеет устойчивую тенденцию к снижению. Все вновь разрабатываемые и модернизируемые полупроводниковые приборы обозначают буквенно-цифровым кодом. Первый элемент обозначения определяет исходный полупроводниковый материал: Германий - Г или 1; Кремний - К или 2; Соединения галлия - А или 3. Второй элемент обозначения — буквенный — определяет класс прибора: транзисторы биполярные — Т; транзисторы полевые — П; диоды выпрямительные — Д; выпрямительные столбы и блоки — Ц; диоды сверхвысокочастотные — А; варикапы — В; диоды туннельные и обращенные — И; стабилитроны и стабисторы — С; тиристоры диодные до 10 А — Н; тиристоры триодные до 10 А — У. Третий элемент обозначения — цифры от 1 до 99 — определяют диапазон основных параметров прибора (мощность, частота, основное назначение и т. д.). Четвертый элемент обозначения — двузначное число от 01 до 99 — определяет номер разработки. Пятый элемент обозначения — буквы русского алфавита от А до Я — определяет деление технологического типа на параметрические группы, например по обратным напряжениям, коэффициенту передачи тока и т. д. В соответствии с указанной системой маркировки обозначение ГТ308В принадлежит германиевому (Г) транзистору (Т), высокочастотному, малой мощности (3), номер разработки 08, с коэффициентом передачи тока базы 50—120 (В); обозначение КД202Р соответствует кремниевому (К) выпрямительному диоду (Д) средней мощности (2), номер разработки 02, с максимально допустимым обратным напряжением 600 В (Р). |