Краткие лекции по ЭиМ (Методичка по темам из ЭиМ), страница 3

электронная схема этой системы содержала уже100 000 элементов.Основным показателем совершенства электронной аппаратуры являетсяплотность упаковки, т. е. количество элементов схемы в 1 см3 действующегоустройства. Если, например, основным элементом электронного устройстваявляются лампы, то можно достигнуть плотности 0,3 эл/см3. С учетом этого дляразмещения современной ЭВМ потребуется объем в несколько тысяч кубическихметров.

Кроме того, нужна мощная энергетическая установка для питания такоймашины.Создание в конце 40-х годов первых полупроводниковых элементов(диодов и транзисторов (1948 год)) привело к появлению нового принципаконструирования электронной аппаратуры — модульного. Основой при этомявляется элементарная ячейка-модуль, стандартный по размерам, способу сборкии монтажу. При этом плотность упаковки возросла до 2,5 эл/см3.Дальнейшеесовершенствованиеполупроводниковыхприборов,резисторов, конденсаторов и других элементов, уменьшение их размеровпривели к созданию микромодулей.

Плотность упаковки при этом превышала 10эл/см3.Микромодулизавершилидесятилетнююэпохутранзисторнойэлектроники и привели к возникновению интегральной электроники илимикроэлектроники.В схемотехническом отношении интегральная электроника часто неотличается от транзисторной, так как в интегральной схеме можно выделить всеэлементы принципиальной схемы устройства, но размеры этих элементов, оченьмалы (примерно 0,5—1 мкм). Технология изготовления интегральных схемпозволила резко повысить плотность упаковки, доведя ее до тысяч элементов в 1см3.

(SOC кристаллы).Хотя электроника шагнула далеко вперед и уже отказывается отдискретной элементной базы, также называемой радиодеталями (изначальнотермин радиодетали означал электронные компоненты, применяемые дляпроизводства радиоприёмников; затем обиходное, с некоторой долей иронии,Оглавлениеназвание распространилось и на остальные радиоэлектронные компоненты иустройства, уже не имеющие прямой связи с радио), до сих пор остаетсяактуальной следующая классификация.Электронные компоненты делятся, по способу действия в электрическойцепи, на активные и пассивные. Пассивные элементы являются базовымиэлементами любой электрической схемы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА):сопротивления, реализованные в виде резисторов и ёмкости, в видеконденсаторов; с использованием электромагнитной индукции трансформатор,дроссель (катушка индуктивности); на базе электромагнитов: соленоид, реле.Кроме того, для создания цепи используются всевозможные соединители иразъединители цепи — ключи; для защиты от перенапряжения и короткогозамыкания — предохранители; для восприятия человеком сигнала — лампочки идинамики (динамическая головка громкоговорителя), для формирования сигнала— микрофон и видеокамера; для приёма аналогового сигнала, передающегося поэфиру, приёмнику нужна антенна, а для работы вне сети электрического тока —аккумуляторы.К активным радиоэлектронным компонентам относятся: вакуумныеприборы: электронная лампа, триод, пентод и др; полупроводниковыеприборы:диод,стабилитрон,транзистор:полевой,биполярный,биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), биполярныйтранзистор со статической индукцией; тиристор, симистор и более сложныекомплексы на их основе - интегральные микросхемы.По способу монтажа электронные компоненты можно подразделить на:предназначаемые для объёмной (пространственной) пайки; предназначаемые дляповерхностного монтажа на печатные платы; имеющие цоколь для установки впанель (радиолампа и др.).Вся современная электроник построена на полупроводниках, поэтому вдальнейшем мы будем рассматривать именно их.На рисунке 1.1 приводится классификация полупроводниковых элементовшироко используемых в любой электрической схеме.

При дальнейшем изучениимы будем отталкиваться именно от них.Основы работы полупроводниковых приборовСовременные электронные устройства, для того, чтобы отвечатьтребованиям миниатюризации и микроминиатюризации, строятся, в основном,на полупроводниковых приборах.Характернымиособенностямиполупроводниковявляетсярезковыраженная зависимость удельной электропроводности с от температуры, отколичества и природы вводимых примесей, а также ее изменение под влияниемэлектрического поля, света, ионизирующего излучения и других факторов.ОглавлениеЭнергетические уровни и зоныВ соответствии с квантовой теориейэнергия электрона, вращающегося посвоей орбите вокруг ядра, не можетприниматьпроизвольныхзначений.Электрон может иметь только вполнеопределенныеквантованныедискретныезначенияэнергииилиидискретные значения орбитальной скорости.

Поэтому электрон может двигатьсявокруг ядра только по определенным (разрешенным) орбитам (рис. 1.1).Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона, илиэнергетический уровень. Энергетические уровни отделены друг от другазапрещенными интервалами (рис. 1.2).Согласно принципу Паули на одномэнергетическом уровне не может находитьсяболее двух электронов, причем спины этихэлектронов должны быть противоположны. Вневозбужденном состоянии электроны ватоме находятся на ближайших к ядруорбитах и в таком состоянии находятся до техпор, пока какое-либо внешнее воздействие не сообщит атому добавочнуюэнергию. При поглощении энергии атомом какой-либо электрон может перейтина один из более высоких свободных уровней, либо вовсе может покинуть атом,став свободным носителем электрического заряда, а атом при этом превращаетсяиз нейтрального в положительно заряженный ион.Проводники, полупроводники и диэлектрикиВ твердых телах атомы вещества могут образовывать так называемуюкристаллическую решетку, когда соседние атомы удерживаются межатомнымисилами на определенном расстоянии другот друга в точках равновесия этих сил,называемых узлами кристаллической решетки.Под действием тепла атомы, не имея возможностиперемещаться,совершаютколебательныедвижения относительно положения равновесия.В отличие от газа соседние атомы в твердыхтелах так близко находятся друг к другу, что ихвнешние электронные оболочки соприкасаются или даже перекрываются.Врезультатеэтоговтвердыхтелахпроисходитрасщеплениеэнергетических уровней электронов на большое количество почти сливающихсяподуровней (рис.

1.3), образующих энергетические зоны. Разрешенная зона, вкоторой при температуре абсолютного нуля все энергетические зоны занятыэлектронами, называется валентной. Разрешенная зона, в которой притемпературе абсолютного нуля электроны отсутствуют, называется зонойпроводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости расположеназапрещенная зона.Шириназапрещеннойзоныявляетсяхарактеризующим свойства твердого тела (рис.

1.4).Оглавлениеосновнымпараметром,Вещества, у которых ширина запрещенной энергетической зоны0,01 < ∆W < 3 эВ, относятся к полупроводникам, а при ∆ W > 3 эВ - кдиэлектрикам. У металлов (проводников) запрещенная зона отсутствует. Вполупроводниковой электронике широкое применение получили германий Ge(∆W = 0,67 эВ) и кремний Si (∆W = 1,12 эВ) - элементы 4-й группы периодическойсистемы элементов Менделеева, а также арсенид галлия GaAs (∆W = 1,43 эВ).Всего лишь около 10 лет назад в качестве доступного материала дляполупроводниковых приборов стал рассматриваться карбид кремния SiC, чтостало возможным благодаря развитию технологии выращивания кристалловтребуемого размера в необходимых количествах. Ширина запрещенной зоны укарбида кремния ∆W = 2,4...3,4 эВ для разных политипов.Подобно тому, как в отдельном атоме электроны могут переходить с одногоэнергетического уровня на другой свободный уровень, электроны в твердом телемогут совершать переходы внутри разрешенной зоны при наличии в нейсвободных уровней, а также переходить из одной разрешенной зоны в другую.Плотность уровней в разрешенных зонах очень велика, поэтому для перемещенияэлектрона с одного уровня на другой внутри разрешенной зоны требуется оченьмалая энергия, порядка 10-8…10-4 эВ, что может быть следствием тепловыхколебаний атомов; ускорений электронов даже под действием слабых внешнихэлектрических полей; попадания в атом кванта световой энергии - фотона, атакже ряда других видов внешних воздействий.Для перехода электрона из низшей энергетической зоны в высшуютребуется затратить энергию, равную ширине запрещенной зоны.

При ширинезапрещенной зоны в несколько электрон-вольт внешнее электрическое полепрактически не может перевести электрон из валентной зоны в зонупроводимости, так как энергия, приобретаемая электроном, движущимсяускоренно на длине свободного пробега, недостаточна для преодолениязапрещеннойзоны.Длинойсвободногопробегаявляетсярасстояние,проходимое электроном между двумя соударениями с атомами кристаллическойрешетки.Таким образом, способность твердого тела проводить ток под действиемэлектрического поля зависит от структуры энергетических зон и степени ихзаполнения электронами.Необходимым условием возникновения электрической проводимости втвердом теле является наличие в разрешенной зоне свободных или не полностьюзанятых энергетических уровней.

Так, в металлах зона проводимости частичнозаполнена и под действием температуры электроны могут переходить изполностью заполненных зон в зону проводимости. Однако их концентрациявсегда мала по сравнению с концентрацией валентных электронов. Поэтомуконцентрация электронов в металлах практически не зависит от температуры изависимость электропроводности металлов от температуры обусловлена толькоподвижностью электронов, которая уменьшается с увеличением температуры изза увеличения амплитуды колебания атомов в кристаллической решетке, чтовлечет за собой уменьшение длины свободного пробега электрона.У диэлектриков и полупроводников в отличие от металлов нет частичнозаполненных зон. При температуре абсолютного нуля валентная зона полностьюзаполнена, а зона проводимости совершенно пуста, поэтому эти веществаОглавлениепроводить ток не могут.

Однако если этому веществу сообщить достаточноеколичество энергии, то электроны, приобретая дополнительное количествоэнергии, могут преодолеть ширину запрещенной зоны и перейти в зонупроводимости.Вэтомслучаевеществоприобретаетнекоторуюэлектропроводность, которая возрастает с ростом температуры.Собственная электропроводность полупроводниковРассмотрим строение полупроводникового материала, получившегонаиболееширокоераспространениевсовременной электронике, - кремния (Si). Вкристаллеэтогорасполагаютсявполупроводникаузлахатомыкристаллическойрешетки, а электроны наружной электроннойоболочки образуют устойчивые ковалентныесвязи, когда каждая пара валентных электроновпринадлежит одновременно двум соседниматомам и образует связывающую эти атомы силу.