Волчкевич Л.И. - Введение в специальность, страница 4

Если напервых порах ЭВМ выполняла лишь традиционные для любой вычислительной тех:ники функции передачи и преобразования информации, то к настоящему време:ни к ним добавились функции систем автоматического управления (САУ).Всем своим успехам электронные приборы, а, следовательно, электронныесистемы во многом обязаны третьему компоненту современной электроники —электронным технологиям.Под технологией в широком аспекте понимают совокупность целенаправ:ленных методов и средств, объединенных последовательностью действия.Электронные технологии — это технологии, основанные на физическихпринципах электроники — формировании потоков заряженных частиц (элек:тронов, ионов, фотонов, ионизированных молекул) и плазмы и их взаимо:действии с электромагнитными полями, средами и поверхностью твердыхтелтел.

Особенность электронных технологий — их преимущественная реализацияв вакууме, ибо в обычных атмосферных условиях электронные и ионные пучкифункционировать не могут.Таким образом, ключевыми словами применительно к электронным техноло:гиям являются: электроныэлектроны, ионыионы, фотоныфотоны, плазмаплазма, вакуумвакуум. Более полным и пра:вильным было бы наименование «электронные, ионные и плазменные, вакуумныетехнологии». Термин «Электронные» является упрощенным — для краткости. Ведьотрасль народного хозяйства тоже называется «Электронная промышленность».2.2.

Электронные приборы и блокиРассмотрим кратко эволюцию электровакуумных приборов (рис. 2).Сначала появились вакуумные лампы накаливания (рис. 2, а), где впервые16абКвАКгСМКУЭR1А1 (ФЭ)R2R3А2АЭОЭR4Рис. 2. Эволюция электровакуумных приборовтехнологической средой стал вакуум, иначе единственный электрод — нить на:каливания как источник фотонов, имела бы минимальную долговечность из:заиспарения материала нити при высокой температуре. Таким образом, появле:ние первых электронных приборов стало возможным лишь благодаря новомутехнологическому процессу — получению разреженной среды (вакуума) в замк:нутых объемах. Процесс этот не может сводиться лишь к удалению свободныхмолекул газа с помощью вакуумных насосов. Значительная часть молекул ад:сорбируется стенками и может быть удалена из объема лишь после их десо:рбции (отрыва от поверхности) путем нагрева.

Тем самым было положено начало«термовакуумным технологиям».Следующей ступенью явилось появление вакуумных диодов (рис. 2, б),с двумя электродами: катодом (К) и анодом (А), между которыми создавался одно:направленный поток электронов. Тем самым впервые был реализован эффектформирования в вакуумном объеме потока элементарных частиц с их воздей:ствием на поверхность твердого тела, в данном случае, анода.Появление вакуумных триодов (рис. 2, в) означало реализацию дополни:тельных функций управления потоком электронов: его усиление или ослабле:ние путем подачи соответствующего потенциала на сетку (С), вплоть до запи:рания потока. Дальнейшее развитие эти процессы получили при созданииэлектронно:лучевых трубок (ЭЛТ), которые называют также кинескопами (рис.2, г). Здесь функцию мишени для потока электронов от катода (К) играют уже не17аноды (А1 и А2), а люминесцентный экран (Э), перед которым находится ячеис:тая маска (М).

Усложнились функции управления потоком — его ускорение:замедление посредством управляющего электрода (УЭ), фокусировка с помо:щью фокусирующего электрода (ФЭ), ускорение (анод (А2)) и, наконец,отклонение от первоначальной траектории (отклоняющие электроды (ОЭ)).Формирование изображения осуществляется сканированием луча по всейповерхности экрана (Э) и засветкой определенных точек люминофора.ЭЛТ — черно:белые и в дальнейшем цветные явились первыми приборами,в которых энергия электронных потоков преобразуется в энергию потоков света(фотонов).Новым этапом развития электровакуумных приборов явилось появление элек:тронно:оптических преобразователей (ЭОП) (рис. 3), где осуществляется двой:ное преобразование: светового потока в поток электронов и обратно, с получе:нием многократно усиленного оптического изображения.

На этом принципеоснована работа приборов ночного видения, приборов регистрации быстро:протекающих процессов и др. ЭОПы — это вакуумные фотоэлектронные прибо:ры, предназначенные для преобразования спектрального диапазона излучения,усиления яркости или сверхбыстрой регистрации изображения. По преобразо:ванию спектрального диапазона ЭОП охватывают инфракрасное, видимое, уль:трафиолетовое, рентгеновское, нейтронное и гамма:излучения. В видимом ди:апазоне ЭОП позволяют повысить яркость изображения в сотни тысяч раз.Большинство ЭОП используется в приборах ночного видения (ПНВ) для обна:ружения или распознавания слабоосвещенных и малоконтрастных объектов,вождения транспортных средств или проведения их ремонта в ночных условиях.2134567891011Рис. 3. Принцип действия электронно:оптического преобразователя:1 — оптический объектив; 2 — фотокатод; 3 — оптическое изображение на фотокатоде;4 — электронное изображение на фотокатоде; 5 — траектория электронов;6 — электронно:оптическая система; 7 — электронное изображение на экране;8 — оптическое изображение на экране; 9 — катодолюминесцентный экран;10 — оптический окуляр; 11 — глаз наблюдателя18Основными элементами ЭОП являются: а) фотокатод с внешним фотоэф:фектом; б) электронно:оптическая система (ЭОС), фокусирующая и ускоряю:щая электроны; в) катодолюминесцентный экран.Принцип действия ЭОП приведен на рис.

3. Изображение предметов спомощью объектива 1 проецируется на фотокатод 2. За счет фотоэлектроннойэмиссии на фотокатоде создается электронное изображение, в котором плот:ность соответствует плотности облучения. Электроны, эмитируемые из облучен:ной точки фотокатода, покидают его поверхность с различными скоростями подразличными углами. ЭОС 6 создает электрическое поле, ускоряющее электро:ны и фокусирующее их таким образом, чтобы все электроны, вылетевшие изданной точки, собрались в соответствующей точке на экране 9.Не менее интересна эволюция твердотельных (полупроводниковых) элект:ронных приборов.Появление полупроводниковых приборов стало возможным благодаря со:зданию особо чистых полупроводниковых материалов, которые по своим элект:рическим свойствам занимают промежуточное место между проводниками идиэлектриками.

В качестве материалов для изготовления полупроводниковыхприборов используют кремний (Si), а также арсенид галлия (GaAs), индий (In),селен (Se) и др.Практическое использование этих материалов в приборах стало возмож:ным благодаря появлению технологий легирования — введения в полупровод:ник примеси атомов определенного химического элемента, способного суще:ственно изменить свойства основного материала. В качестве легирующихдобавок используют фосфор (P), бор (B) и другие элементы.Введение в полупроводник донор:ной примеси приводит к тому, что атомы аnpпримеси достаточно легко (в сравнениис чистым полупроводником) теряют своиэлектроны, увеличивая число свободныхэлектронов в материале, придавая, та:ким образом, полупроводнику электрон:барьерный слойную проводимость (n:типа) (рис. 4, а).Атомы акцепторной примеси, напротив, бpдостаточно легко отнимают электроны уnатомов полупроводника, увеличиваячисло «дырок» (атомов, ставших положи:тельно заряженными ионами), что обус:ловливает наличие «дырочной» прово:димости (p:типа).UобрЕсли при изготовлении полупровод:Рис.

4. Принципиальная схеманикового прибора области с избыточ:полупроводникового диодаными электронами и с избыточными19«дырками» сочленяются друг с другом, между ними формируется «барьерныйслой» (см. рис. 4, а), в котором возникает взаимное перетекание электронови «дырок». Заряды, находящиеся в этом слое, создают электрическое поле, пре:пятствующее дальнейшему движению, что и приводит к прекращению переход:ных процессов.Если подключить зоны с n: и p:проводимостью к полюсам источника тока, тоблагодаря уменьшению барьерного слоя через массу полупроводникового ма:териала потечет электрический ток.При обратном подключении (смена полюсов) барьерный слой увеличива:ется, и ток не проходит. Если по такой цепи пропускать переменный ток, происхо:дит его выпрямление.

Таким образом, мы имеем полупроводниковый диод с p:n:проводимостью (см. рис. 4, б).Следующим шагом в эволюции твердотельной электроники стал биполяр:ный транзистортранзистор. В этом приборе используются два p:n:перехода, включенныевстречно (рис. 5). Один переход является эмиттерным (ЭП), а другой коллектор:ным (КП). Напряжения подаются на следующие электроды: эмиттер (Э) — «источ:ник» основных носителей, базу (Б) и коллектор (К) — «накопитель» основныхносителей. Изменяя напряжения на переходах, можно управлять процессамипротекания тока от эмиттера к коллектору, что используется как для усиленияэлектрических сигналов, так и для создания электронных ключей (при полномзакрытии перехода и уменьшении тока до нуля).

Схема подключения транзисто:ра для реализации такого режима работы (активного или усилительного) приве:дена на рис. 6.При такой схеме подключения ЭП оказывается включенным прямо, а КП —обратно включенным. Поэтому для ЭП барьер снижается и осуществляется инже:кция дырок в базу (ток Iэ), а для КП — барьер увеличивается. Ширина базы выби:рается таким образом, чтобы дырки, не успев рекомбинировать (захватить элек:троны и нейтрализоваться) перемещались к коллектору.

Изменяя величинунапряжения (UКП) можно управлять потоком дырок через КП (ток Iк). А дырки, непрошедшие через КП, отводятся через базу (ток Iб).ББКЭЭЭПКПБКn:p:n : транзисторЭРис. 5. Биполярный транзистор и его условные обозначенияна электрических схемах20Кp:n:p : транзисторТранзистор стал основойpnpследующего этапа эволюции тех:ЭКники твердотельных электронныхприборов. Благодаря появлениюпланарной технологии стало воз:БIкможным формирование на повер: IэIбхности кремниевых пластин целыхUКПмикроэлектронных схемсхем, созда:ваемых за счет последовательно:го нанесения слоев различныхРис.

6. Подключение транзистора по схемематериалов и их размерной мик: с общей базой для реализации активного режимарообработки. Повышение степе:ни интеграции микросхем (увеличение количества элементов на единицу их по:верхности) за счет совершенствования технологии привело к появлению такихмощных, малогабаритных устройств обработки информации, как современныеинтегральные микросхемы (ИС).Наиболее часто в качестве элементной базы интегральных микросхем ис:пользуются триггеры — электронные устройства, хранящие два устойчивых со:стояния (логического «0» и логической «1») в виде определенного напряженияна выходе.Интегральная схема (интегральная микросхема, микросхема) — конструк:тивно законченное изделие электронной техники, которое содержит совокуп:ность электрически связанных между собой полупроводниковых диодов и транзи:сторов, конденсаторов, резисторов и др., изготовленных в едином технологическомцикле, на единой конструктивной базе.