24. 3. Корпуса интегральных микросхем

Интегральные микросхемы упаковываются в корпуса, рассчитанные на защиту их от влаги, пыли и других заг­рязнений. Наиболее популярным является корпус с двух­рядным расположением выводов (DIP). Он производится нескольких размеров для того, чтобы соответствовать раз­личным размерам интегральных микросхем: микросхемам малой степени интеграции (SSI), микросхемам средней степени интеграции (MSI), микросхемам большой степени интеграции (LSI или БИС) и сверхбольшим интегральным микросхемам (VLSI или СБИС) (рис. 25-3). Корпуса изго­товляются либо из керамики, либо из пластмассы. Пласт­массовые корпуса дешевле и более пригодны для приме­нения при рабочей температуре от 0 до 70 градусов Цель­сия. Микросхемы в керамических корпусах дороже, но обеспечивают лучшую защиту от влаги и загрязнений. Они,

кроме того, работают в более широком диапазоне темпера­тур (от -55 до +125 градусов Цельсия). Микросхемы в ке­рамических корпусах рекомендуются для использования в военной и аэрокосмической технике, а также в некото­рых отраслях промышленности.

Маленький 8-выводный корпус типа DIP используется для устройств с минимальным количеством входов и вы­ходов. В нем располагаются, главным образом, монолит­ные интегральные микросхемы.

Плоские корпуса меньше и тоньше чем корпуса типа DIP и они используются в случаях, когда пространство ограничено. Они изготовляются из металла или керамики и работают в диапазоне температур от -55 до +125 граду­сов Цельсия.

После того как интегральная микросхема заключена в корпус, она тестируется для проверки ее соответствия всем требуемым параметрам. Тестирование проводится в широ­ком диапазоне температур.

369 Гпава 25 Щк

I п I ■ ■ ■ - —

• обеспечивают новые и лучшие решения проблем.

• Интегральные микросхемы не могут работать при боль­ших значениях токов и напряжений.

• Элементами интегральных микросхем могут быть толь­ко диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы.

• Интегральные микросхемы нельзя отремонтировать, их можно только заменить.

• Для изготовления интегральных микросхем использу­ются монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный способы изготовления.

• Наиболее популярным корпусом интегральных микро­схем является корпус типа DIP (с двухрядным распо­ложением выводов)

• Корпуса интегральных микросхем изготовляются из ке­рамики или пластмассы, но пластмассовые корпуса ис­пользуются чаще.

Глава 25. Самопроверка

1. Какие компоненты содержат гибридные интегральные микросхемы?

2. Что обозначается словом «чип»?

3. Какие существуют проблемы при изготовлении резис­торов й конденсаторов при производстве интегральных микросхем монолитным методом?

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в со­стоянии:

• Перечислить три категории полупроводниковых уст­ройств, которые реагируют на свет.

• Классифицировать основные частотные диапазоны света.

• Перечислить основные светочувствительные устройства и описать их работу и применения.

• Перечислить основные светоизлучающие устройства и описать их работу и применения.

• Нарисовать схематические обозначения оптоэлектрон­ных устройств.

• Перечислить корпуса, используемые для оптоэлектрон­ных устройств.

Полупроводники вообще, и полупроводниковые диоды в частности, широко используются в оптоэлектронике. А именно, в качестве устройств, взаимодействующих с элек­тромагнитным излучением (световой энергией) в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.

Три типа устройств, которые взаимодействуют со светом:

• Устройства для регистрации света;

• Устройства для преобразования света;

• Светоизлучающие устройства.

Полупроводниковый материал и использованная техни­ка легирования определяют длину световой волны для каждого конкретного устройства.

24. 1. СВЕТ

Свет — это электромагнитное излучение, видимое че­ловеческим глазом. Свет распространяется подобно радио­волнам. Как и радиоволны, свет имеет свою длину волны.

Рис. 26-1. Фото­сопротивление.

Свет распространяется в вакууме со скоростью 300000000 метров в секунду. В различных средах скорость света мень­ше. Частота световых колебаний лежит в диапазоне от 300 до 300000000 гигагерц (1 гигагерц = 1000000000 герц). Из этого частотного диапазона только небольшая часть види­ма человеческим глазом. Видимый диапазон простирается примерно от 400000 до 750000 гигагерц. Частота инфракрас­ного излучения лежит ниже 400000 гигагерц, а частота ультрафиолетового излучения — выше 750000 гигагерц. Световые волны в верхней части частотного диапазона обладают большей энергией, чем световые волны в ниж­ней части диапазона.

устройства. Его сопротивление может изменяться от не­скольких сотен мегом до нескольких сотен ом. Оно приме­няется при низких интенсивностях света. Фотосопротив­ление может выдерживать высокие рабочие напряжения 200-300 вольт при малом потреблении мощности — до 300 милливатт. Недостатком фотосопротивлений является мед­ленный отклик на изменения света.

Рис. 26-2. Схемати­ческие обозначения фотосопротивления.

На рис. 26-2 показаны схемати­ческие обозначения фотосопротив­ления. Стрелки показывают, что это — светочувствительное устрой­ство. Иногда для обозначения све­точувствительного устройства ис­пользуется греческая буква лямб­да (Я).

Фотосопротивления используются для измерения интен­сивности света в фотографическом оборудовании, в охран­ных датчиках, в устройствах автоматического открывания дверей, в различном тестирующем оборудовании для изме­рения интенсивности света.

Фотогальванический элемент (солнечный элемент) пре­образует световую энергию непосредственно в электричес­кую. Батареи солнечных элементов применяются главным образом для преобразования солнечной энергии в электри­ческую энергию.

Солнечный элемент — это устройство на основе р-п-пе- рехода, выполненное из полупроводниковых материалов. В большинстве случаев их делают из кремния. На рис. 26-3 показано устройство солнечного элемента. Слои р-типа и n-типа образуют р-п-переход. Металлическая подложка и металлический контакт являются электрическими контак­тами. Они проектируются с большой площадью поверхно­сти.

Свет, попадая на поверхность солнечного элемента, передает большую часть своей энергии атомам полупровод­никового материала. Световая энергия выбивает валентные электроны с их орбит, создавая свободные электроны.

Выводы присоединя­ются к металлической подложке и металли­ческому контакту

Металличес-

Материал п-типа

Металличес­кая подложка

Материал р-типа

Рис. 26-3. Устройство солнечного элемента.

Вблизи обедненного слоя электроны притягиваются мате­риалом п-типа, создавая небольшое напряжение вдоль р-п-перехода. При увеличении интенсивности света это на­пряжение увеличивается. Однако не вся световая энергия, попадающая в солнечный элемент, создает свободные элек­троны. В действительности, при сравнении получаемой от него электрической мощности с мощностью падающей све­товой энергии легко увидеть, что солнечный элемент — это довольно неэффективное устройство с максимальным ко­эффициентом полезного действия порядка 15%.

Солнечные элементы дают низкое выходное напряже­ние 0,45 вольта при токе 50 миллиампер. Их необходимо соединять в последовательно- параллельные цепи для того, чтобы получить желаемое выходное напряжение и ток.

Солнечные элементы применяются для измерения ин­тенсивности света в .фотографическом оборудовании, для декодирования звуковой дорожки в кинопроекторах и для зарядки батарей на космических спутниках.

или

Схематические обозначения солнечных элементов показаны на рис. 26-4. Положительный вывод обозначается знаком плюс (+).

Рис. 26-4. Схемати­ческие обозначения солнечного элемента.

Фотодиод также использует р-п-переход и его устройство по­добно устройству солнечного эле­мента. Он используется так же,

как и фотосопротивление в качестве резистора, сопротив­ление которого меняется при освещении. Фотодиоды — это полупроводниковые устройства, которые изготовляются

главным образом из кремния. Это делается двумя спосо­бами. Первый способ — создание простого р-п-перехода (рис. 26-5). При другом способе между слоями р-типа и п- типа вставляется слой нелегированного полупроводника, образуя p-i-n фотодиод (рис. 26-6).

Свет /— Свет

ZL

N

N

Анод

Катод

Рис. 26-5. Фотодиод с р-п-переходом.

Слой нелегированно> го полупроводника

Рис. 26-6 p-i-n фотодиод.

Принципы работы фотодиода с р-п-переходом такие же как у солнечного элемента, за исключением того, что он используется для управления током, а не для создания его. К фотодиоду прикладывается обратное напряжение смеще­ния, формирующее широкий обедненный электронами слой. Когда свет попадает в фотодиод, он попадает в обед­ненный слой и создает там свободные электроны. Элект­роны притягиваются к положительному выводу источни­ка смещения. Через фотодиод в обратном направлении течет малый ток. При увеличении светового потока увели­чивается число свободных электронов, что приводит к рос­ту тока.

P-i-n фотодиод имеет слой нелегированного материала между областями р и п. Это эффективно расширяет обед­ненный слой. Более широкий обедненный слой позволяет p-i-n фотодиоду реагировать на свет с более низкими час­тотами. Свет с более низкими частотами имеет меньшую энергию и, следовательно, должен глубже проникать в обедненный слой перед созданием свободных электронов. Более широкий обедненный слой дает больше возможнос­тей для создания свободных электронов, p-i-n фотодиоды являются более эффективными во всех отношениях.

Благодаря слою нелегированного материала, p-i-n фото­диоды имеют более низкую собственную емкость. Это обес­

печивает быстрый отклик на изменения интенсивности света. Кроме того, изменение их обратного тока в зависи­мости от интенсивности является более линейным.

Преимущество фотодиода — его быстрый отклик на из­менения интенсивности света, самый быстрый из всех фо- точувствительных устройств. Недостаток — низкая выход­ная мощность по сравнению с другими фоточувствитель- ными устройствами.

На рис. 26-7 изображен типичный корпус фотодиода. Стеклянное окошко позволяет свету попадать в фотоди­од. Схематическое обозначение фотодиода показано на рис. 26-8. Типичная цепь изображена на рис. 26-9.

Рис. 26-8. Схематическое обозначение фотодиода.

1 5	1
Рис. 26-9. Делитель «а. ;	: р Выходное
напряжения, исполь- "у"	L напряжение о
зующий фотодиод. 1	?

Фототранзистор устроен подобно другим транзисторам с двумя р-п-переходами. Он похож на стандартный п-р-п транзистор. Используется так же, как и фотодиод, и име­ет корпус как у фотодиода, за исключением того, что у него три вывода (эмиттер, база и коллектор). На рис. 26-10

Рис. 26-10. Экви­

—о

Эмиттер

W

валентная схема фототранзистора.

показана его эквивалентная цепь. Проводимость транзис­тора зависит от проводимости фотодиода. Вывод базы при­меняется редко. Когда он все же используется, на него по­дается напряжение, открывающее транзистор.

Фототранзисторы могут давать больший выходной ток, чем фотодиоды. Их отклик на изменения интенсивности света не так быстр, как у фотодиодов. В данном случае за увеличение выходного тока приходится жертвовать скоро­стью отклика.

Фототранзисторы применяются в фототахометрах, для управления фотографической экспозицией, в противопо­жарных датчиках, в счетчиках предметов и в механичес­ких позиционерах.

На рис. 26-11 изображено схематическое обозначение фототранзистора. На рис. 26-12 изображена типичная схе­ма его применения.

R

О

Рис. 26-11. Схемати­ческое обозначение фототранзистора.

1

ⁱ-ⁿi

Входное

напряжение

Рис. 26-12. Переключатель нагруз­ки, питаемой постоянным током, зависящий от освещения (при от­сутствии света нагрузка включена).

3. В чем разница между двумя типами фотодиодов?

4. Чем фототранзистор лучше фотодиода?

5. Нарисуйте схематические обозначения фоторезистора,

солнечного элемента, фотодиода и фототранзистора.