Профессия
сборщик РЭА

       

§ 50. Полупроводниковые приборы и интегральные схемы

В настоящее время отечественная промышленность выпускает огромное количество полупроводниковых приборов, которые находят широкое применение в электронике, вычислительной и радиотехнике, автоматике. Их использование позволяет значительно сократить объем и массу РЭА, так как размеры и масса этих приборов значительно меньше размеров заменяемых ими электронных ламп, а также существенно повысить надежность аппаратуры.

Промышленность выпускает сотни типов полупроводниковых приборов, отличающихся конструкцией, параметрами и характеристиками. Условно их можно разделить на четыре большие группы: диоды, транзисторы, тиристоры и оптоэлектронные приборы.

В свою очередь, каждая группа имеет несколько основных модификаций: диоды подразделяются на выпрямительные, импульсные, туннельные, варикапы, стабилитроны, стабисторы, СВЧ-диоды; транзисторы — на биполярные и полевые (низкой, средней и высокой частот, малой, средней и большой мощностей); тиристоры — на диодные и триодные; оптоэлектронные — на светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы и оптопары.

Полупроводниковый диод представляет собой монокристалл германия или кремния, в котором существуют граничащие друг с другом области с электронной (n) и дырочной (р) проводимостями и снабженные невыпрямляющими контактами. К контактам присоединены выводы, необходимые для включения диода в схему (рис. 100).

Рис. 100. Схема полупроводникового p-n-диода (я), его условное обозначение (б) и конструкции (в)

Контакт полупроводников с разными типами электрической проводимости называют р-n- или n-р-переходом. Основным свойством р-n-перехода является его односторонняя проводимость (в направлении от области р к области n). Поэтому диоды, состоящие из одного р-п-перехода, широко применяют для выпрямления переменного тока (рис. 101) и детектирования модулированных сигналов.

Рис. 101. Схема выпрямителя переменного тока

Выпрямительные плоскостные диоды Д7А, Д7Б, Д202, Д203 предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока, импульсные точечные Д2Б, Д2В, Д9А, Д9Б — для детектирования модулирования колебаний высокой частоты, поэтому их часто называют высокочастотными диодами.

Туннельные диоды изготовляют из полупроводниковых материалов с большим содержанием примеси, в результате чего полупроводник превращается в полуметалл. Благодаря необычной форме вольт-амперной характеристики (на ней имеется участок отрицательного сопротивления) туннельные диоды используют для усиления и генерирования электрических сигналов в переключающих устройствах, они могут работать на очень высоких частотах (10—11 кГц). Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды, у которых при малом напряжении на переходе р-п проводимость в обратном направлении намного больше, чем в прямом. Используют такие диоды при обратном включении, показывая это стрелкой, направленной от слоя n к слою р (рис. 102, а — б).

Рис. 102. Условные обозначения:
а — туннельного диода, б — обращенного туннельного диода, в — стабилитрона

В выпрямительных устройствах, особенно низковольтных, наиболее широко применяют полупроводниковые стабилитроны, которые работают также на обратной ветви вольт-амперной характеристики.

Стабилитроны — это плоскостные кремниевые диоды, изготовленные по особой технологии. При включении стабилитрона в обратном направлении и при определенном напряжении на n-р-переходе последний пробивается. Дальнейшее повышение напряжения на n-р-переходе приводит к увеличению тока, проходящего через него. Благодаря этому свойству стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизаторов напряжения. Для получения малых опорных напряжений стабилитроны включают в прямом направлении, при этом напряжение стабилизации одного стабилитрона равно 0,7—0,8 В. Такие же результаты получают при включении в прямом направлении обычных кремниевых плоскостных диодов.

Для стабилизации низких напряжений разработаны и широко применяются специальные полупроводниковые диоды — стабисторы. Отличие их от стабилитронов заключается в том, что они работают на прямой ветви вольт-амперной характеристики, т. е. при включении в прямом (проводящем) направлении. Стабилитроны и стабисторы используют для питания РЭА.

Электронно-дырочный переход, к которому приложено обратное напряжение, обладает свойствами конденсатора. При этом роль диэлектрика играет сам переход, в котором свободных носителей зарядов мало, а роль обкладок — прилежащие слои полупроводника с электрическими зарядами разного знака (электронами и дырками).

Изменяя напряжение, приложенное к р-n-переходу, можно изменять его толщину, а следовательно, и емкость такого прибора. Это явление использовано в специальных полупроводниковых диодах — варикапах. Варикапы применяют для настройки колебательных контуров в устройствах автоматической подстройки частоты, а также в качестве частотных модуляторов в различных генераторах.

Полупроводниковый триод (транзистор) состоит из двух противоположно направленных р-n-переходов, которые объединены таким образом, что одна из областей оказывается общей. Если объединены p-области этих переходов, то транзистор имеет структуру n-р-n. При объединении л областей транзистор имеет структуру р-n-р. Одна из внешних областей называется эмиттером, другая коллектором. Средняя область называется базой. Общий вид транзисторов и их условные обозначения приведены на рис. 103, а, б.

Рис. 103. Условные обозначения (а) транзисторов (б)

Об электрической проводимости базы можно судить по символу эмиттера, который обозначают в виде линии со стрелкой, подходящей к символу базы под углом 60°. Если стрелка на линии эмиттера направлена к базе, эмиттер имеет электрическую проводимость p-типа, а база — электрическую проводимость n-типа. Если же эмиттер обладает электрической проводимостью n-типа, стрелку направляют от базы, которая в этом случае имеет электрическую проводимость p-типа. Символ коллектора — также наклонная линия, проведенная к символу базы, но без стрелки. Транзисторы предназначены для усиления электрических сигналов низкой и высокой частот и в импульсных схемах.

Разновидностью транзисторов являются биполярные М25; П27; ГТ108А; ГТ109В; МП111; МП40 и полевые П401; КТ301А; ГТ309А; КТ315А.

Полевые транзисторы, обладая всеми достоинствами обычных транзисторов (малые габариты, экономичность, высокие надежность и долговечность), имеют большое входное сопротивление и малые собственные низкочастотные шумы. Принцип действия полевого транзистора основан на изменении проводимости полупроводника под действием изменяющегося электростатического поля, в результате чего изменяется ток через прибор. Типовая конструкция полевого транзистора (с переходом р-n-типа) состоит из небольшой пластинки кремния с электрической проводимостью n-типа, в объеме которой методом диффузии образован канал с электрической проводимостью p-типа. На концах канала тем же методом созданы области с электрической проводимостью p-типа, от которых сделаны выводы. Эти области являются электродами полевого транзистора — истоком и стоком. Третий вывод сделан от кристалла, являющегося третьим электродом, — затвором. Исток, сток и затвор соответствуют катоду, аноду и управляющей сетке электровакуумного триода. Условное обозначение полевого транзистора приведено на рис. 104.

Рис. 104. Условное обозначение полевого транзистора:
а — с каналом р-типа, б — с каналом n-типа; з — затвор, и — исток, с — сток

Применяемые в настоящее время полупроводниковые приборы многочисленны. Они обозначаются четырьмя элементами : первый — буква или цифра, указывающая на исходный материал (Г или 1 — германий, К или 2 — кремний, А или 3 — арсенид галлия); второй — буква, указывающая класс или группу приборов (Д — диоды, Т — транзисторы, В — варикапы, А — СВЧ-диоды, Ф — фотоприборы, И — туннельные диоды и т. д.); третий — трехзначное число, указывающее назначение и свойства прибора; четвертый — буква, указывающая разновидность типа внутри данной группы. Например, наименование ГТ-108-А означает, что это германиевый маломощный транзистор разновидности типа А. Графические обозначения полупроводниковых приборов устанавливаются ГОСТ 2.730—73.

В различной РЭА широко используют полупроводниковые ИС. Они объединяют любые функциональные узлы, выполненные в одном кристалле полупроводника различными технологическими приемами обработки полупроводниковых материалов.

В результате обработки кристаллов методами диффузии, осаждения, травления и другими методами получают отдельные области (р-n-переходы), эквивалентные резисторам, конденсаторам или активным элементам — диодам и транзисторам. Кристаллом чаще всего служит монокристаллический кремний, отличающийся хорошими технологическими свойствами, или германий.

Полупроводниковые ИС отличаются высокой степенью микроминиатюризации, которая характеризуется большим числом элементов электрической схемы в 1 см3 объема. Для микро-модульного исполнения это число составляет 10...20 единиц, а для ИС — сотни, тысячи и более.

Для надежной защиты от воздействия внешней среды ИС применяют различные конструкции корпусов: плоские и удлиненные металлокерамические, металлополимерные или металлостеклянные. Часто ИС заключают в модернизированные транзисторные корпуса (рис. 105). Интегральные схемы выпускают также в бескорпусном исполнении.

Рис. 105. Корпуса интегральных схем

В последнее время отечественная промышленность освоила выпуск больших интегральных схем (БИС). Плоские металлокерамические корпуса имеют радиальные выводы и небольшую высоту, что дает возможность размещать собранные электронные узлы в малом объеме, а конструкция их выводов позволяет выполнять различные виды соединений.

Металлополимерные, а также металлостеклянные корпуса имеют два ряда жестких штырьковых выводов прямоугольного или круглого сечения, которые легко вставляются в металлизированные монтажные отверстия печатных плат.

Выводы металлополимерных корпусов имеют расширение в верхней части. При установке на печатные платы ИС с такими выводами между корпусом и платой образуется зазор, в котором можно разместить теплоотводящие полоски из фольги или печатные проводники.

По своему назначению ИС подразделяют на аналоговые (или линейно-импульсные) и логические (или цифровые).

Аналоговые ИС применяют для генерирования, усиления, преобразования электрических колебаний, логические — для ЭВМ, устройств автоматики, приборов с цифровым отсчетом результатов измерений.

По технологии изготовления различают гибридные ИС и полупроводниковые. В гибридных ИС все пассивные компоненты (сопротивления, конденсаторы и др.) и токопроводники выполнены напылением тонких пленок, на которые устанавливаются активные компоненты (диоды и триоды). В полупроводниковых ИС все активные и пассивные элементы выполнены в одном объеме полупроводникового кристалла.

Top.Mail.Ru
Рейтинг@Mail.ru