1.Роль електроніки у народному господарстві України. Історія та перспективи розвит-

ку електроніки та мікроелектроніки.

1.Електроніка - це галузь науки і техніки, що вивчає:

• фізичні явища, пов’язані зі зміною концентрації і переміщенням заряджених часток у вакуумі, газі та твердих кристалічних тілах;

• електричні характеристики та параметри електронновакуумних, іонних та напівпровідникових приладів;

• властивості пристроїв і систем, у яких застосовуються електронно-вакуумні, іонні та напівпровідникові прилади.

Перший із цих напрямків складає основу фізичної електроніки, другий і третій - технічної електроніки.

У свою чергу, технічна електроніка має чотири головних напрямки: радіоелектроніка, промислова електроніка, ядерна та біологічна електроніка.

• Радіоелектроніка пов’язана з радіотехнікою, бо є основою радіозв’язку, телебачення, радіолокації, радіоуправління, радіонавігації, радіоастрономії.

• Промислова електроніка пов’язана із застосуванням електронних пристроїв у різних галузях промисловості і обслуговує ці галузі пристроями контролю, керування, вимірювання, перетворення електричної енергії, а також технологічним обладнанням.

• Ядерна електроніка пов’язана з процесами отримання, вивчення та використання елементарних часток.

• Біологічна електроніка охоплює використання електронних пристроїв у біологічних дослідженнях, особливо у медицині (медична електроніка).

Специфіка окремих галузей технічної електроніки полягає у особливостях використання електронних пристроїв, їхніх схем та технічних характеристик. Так, наприклад, схеми й характеристики випрямлячів у потужних енергетичних установках відрізняються від схем та характеристик випрямлячів радіотехнічних пристроїв.

Слід зазначити, що в наш час прогрес майже в усіх галузях науки і техніки багато у чому зумовлений успіхами електроніки. Тому знання основ технічної електроніки необхідні інженерові будь-якої спеціальності.

Особливо важливо уявляти можливості сучасної електроніки для вирішення наукових та технічних задач у тій чи іншій галузі. Багатозадач керування, вимірювання, інтенсифікації технологічних процесів, що виникають у різних галузях техніки, можуть бути успішно розв’я­зані спеціалістами, знайомими з основами електроніки.

Промислова електроніка, якою ми в основному будемо займатися надалі, має три складові: інформаційна електроніка, енергетична елек­троніка, електронна технологія.

• Інформаційна електроніка складає основу електронно-обчис­лювальної та інформаційно-вимірювальної техніки, а також пристроїв автоматики. До неї належать електронні пристрої одержання, опрацю­вання та зберігання інформації, пристрої керування різними об’єктами та технологічними установками: пристрої, що обробляють інформацію, представлену у вигляді електричних сигналів (неперервних або диск­ретних).

• Енергетична електроніка пов’язана з питаннями перетворення електричної енергії та пристроями і системами перетворення електрич­ної енергії середньої і великої потужності. Сюди належать перетворю­вачі змінного струму в постійний (випрямлячі), постійного струму в змінний (інвертори), перетворювачі частоти, регулятори і т. п.

• Електронна технологія забезпечує використання електронних при­строїв у технологічних цілях. Це, наприклад, застосування високочас­тотного генератора для сушіння деревини, нагріву, плавлення та зва­рювання металів, приготування їжі (НВЧ-піч) тощо.

Розвиток сучасної промислової електроніки нерозривно пов’язаний із досягненнями мікроелектроніки, яка, у свою чергу, базується на інтегральній технології. Остання дозволила отримувати вузли елек­тронних пристроїв, перш за все інформаційної електроніки, в мікрови- конанні - у вигляді інтегральних мікросхем.

Питаннями побудови електронних пристроїв на інтегральних мікро­схемах займається мікросхемотехніка.

Дисципліна “Електроніка і мікросхемотехніка” орієнтована на за­своєння знань зі застосування електронних пристроїв у різних галузях промисловості за їхньої побудови переважно на інтегральних мікро­схемах.

Вона тісно пов’язана з електротехнічними дисциплінами, що вивча­ються Вами у вузі, і базується на курсах вищої математики, фізики, теоретичних основ електротехніки, електричних вимірювань.

В останні роки освоєно випуск великих інтегральних мікросхем (ВІМС). Кількість елементів кожної ВІМС коливається від десятків оди­ниць до сотень тисяч і сягає кількох мільйонів у надвеликих мікросхемах.

Типові функціональні мікровузли дають змогу зібрати потрібний елек­тронний блок без детального розрахунку окремих каскадів. І лише у тому випадку, коли типові інтегральні схеми не розв’язують якогось конкретного завдання, до них додають вузли на дискретних елемен­тах, що потребує проведення відповідних розрахунків.

Значно підвищився інтерес до оптоелектроніки, де, крім електрич­них сигналів, використовуються і світлові. Тепер багато пристроїв, ство­рення яких за допомогою суто засобів електроніки викликає значні труд­нощі, відносно просто можуть бути реалізовані за допомогою засобів оптоелектроніки.

Стисло розглянемо історію електроніки.

Фундамент для виникнення і розвитку електроніки було закладено працями фізиків у XVIII - ХІХ ст.

Перші у світі дослідження електричних розрядів у повітрі були здійснені Бенджаменом Франкліном у 1747-1753 роках (саме тим Фран­кліном, який у 1754 році запропонував план об’єднання англійських ко­лоній у Північній Америці, що на його основі пізніше було утворено дер­жаву США, а у 1775 році брав участь у написанні Декларації незалеж­ності і тепер зображений на стодоларовій банкноті США). Це він дав назви: “батарея”, “конденсатор”, “провідник”, “заряд”, “розряд”; довів електричну природу блискавки; створив теорію статичної електрики, єдиним недоліком якої на наш час є лише те, що носії заряду у ній мають позитивний заряд; винайшов блискавковідвід, вперше встанов­лений у 1760 році у місті Філадельфія.

Подібні дослідження здійснили також російські академіки М. В. Ломо­носов і Г. В. Ріхман (один з перших, якщо не перший, хто перетворив електрику на точну науку, створивши перший у світі електричний вимірю­вальний прилад - електрометр для вимірювання статичної електрики).

Важливою подією було відкриття електричної дуги академіком В. В. Петровим у 1802 році. Дослідження проходження електричного струму в розріджених газах проводили у минулому столітті в Англії - Крукс, Д. Томсон, Тоунсенд, Астон, а також у Німеччині - Гейслер, Гітторф, Плюккер та інші вчені.

Одним із найперших електронних приладів можна вважати фото­резистор із селену, винайдений у США У. Смітом в 1873 році. Тоді ж А. Н. Лодигін винайшов перший у світі електровакуумний прилад - лампу розжарювання. Дещо пізніше, таку ж лампу створив і удоско­налив відомий американський винахідник Едісон. Електрична дуга була вперше використана для освітлення П. Н. Яблочковим у 1876 році.

2.Електрофізичні властивості напівпровідників.

Напівпровідники (НП) належать до класу речовин, що мають твер­ду кристалічну структуру і за питомою провідністю (10⁴ - 10^-10 Сим/см) займають проміжне місце між провідниками (10⁴ - 10⁶ Сим/см) та діелек­триками (10^-10 Сим/см та менше).

При виготовленні НП електронних приладів частіше використовують кремній , германій, арсенід галію. До НП також відносять селен, телур, деякі оксиди, карбіди та сульфіди.

НП мають такі властивості:

• негативний температурний коефіцієнт опору - із збільшенням тем­ператури їхній опір зменшується (у провідників - зростає);

• додавання домішок призводить до зниження питомого опору (у провідників - до збільшення);

• на електричну провідність НП впливають радіація, електромагнітне випромінювання.

Процеси електропровідності НП і діелектриків подібні, але суттєво відрізняються від електропровідності провідників.

Зазначимо, що електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома ре­човини, мають назву валентних. Вони найслабкіше зв’язані з ядром і визначають фізичні та хімічні властивості речовини.

У провідників електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома, слаб­ко зв’язані з ядром і тому досить легко покидають свої атоми, після чого хаотично переміщуються у матеріалі - стають вільними. Якщо до про­відника прикласти зовнішнє електричне поле, виникне впорядкований рух електронів - електричний струм.

У НП усі валентні електрони міцно зчеплені з кристалічними ґратками завдя­ки так званому ковалентному зв’язку. Доки цей зв’язок існує, електрони не можуть переносити електричний заряд у матеріалі.

При температурі абсолютного нуля і за відсутності опромінення у НП відсутні рухомі носії і його електрич­ний опір великий (нескінченний).

За звичайних умов, внаслідок дії на речовину теплової енергії, де­які з валентних електронів покидають ковалентні зв’язки і стають електронами провідності - відбувається процес генерації пар носіїв: електронів і дірок. При цьому дірка - вакантне місце у ковалентному зв’язку - має позитивний заряд, що їй приписується умовно.

Якщо тепер помістити НП в електричне поле, виникне спрямований рух зарядів - електричний струм. На відміну від провідників струм в НП забезпечується носіями двох зарядів - позитивного © (дірки) та негативного 0 (електрони).

Провідність чистого НП має назву власної, сам же НП відносять до і-типу. Власна провідність звичайно невелика. Значно більшу провідність мають НП із домішками, до того ж її характер залежить від виду домішок.

3. Домішні напівпровідники

Напівпровідни́к — матеріал, електропровідність якого має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика і відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури і різних видів випромінювання. Основною властивістю цих матеріалів є збільшення електричної провідності з ростом температури .

Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких складає порядку декількох електронвольт (еВ). Наприклад, алмаз можна віднести до широкозонних напівпровідників, а арсенід індію — до вузькозонних. До числа напівпровідників належать багато простих речовин хімічних елементів (германій, кремній, селен, телур, арсен та інші), величезна кількість сплавів і хімічних сполук (арсенід галію та ін.).

Для створення напівпровідникових приладів часто використовують кристали з домішковою провідністю. Такі кристали виготовляються з допомогою внесення домішок з атомами тривалентного або пятивалентного хімічного елемента. Залежно від того, чи віддає домішковий атом електрон або захоплює його, його називають донорними або акцепторними. Характер домішки може змінюватися в залежності від того, який атом решітки вона заміщує, в яку кристалографічну площину вбудовується.

Провідність напівпровідників сильно залежить від температури. Поблизу абсолютного нуля температури напівпровідники мають властивості діелектриків.

4Отримання р-п-переходу. Властивості р-п-переходу.

р-n переходом називається вузька зона на межі зэднання двох домішкових напівпровідників з різними типами провідностей (P тип носії зарядів- дірки,Nтип – електрони)

Фізичні процеси, що відбуваються у р-п переході, визначають параметри та характеристики більшості НП(напівпровідникових) приладів.

Допустимо, що концентрація основних носіїв у обидвох шарах НП однакова. При об’єднанні двох НП виникає взаємна дифузія (яку можна вважати за дифузійний струм ) електронів із п-шару у p-шар (вони заповнюють вільні ковалентні зв’язки), а дірок - у протилежному напрямку. Внаслідок цього у приконтактній зоні НП р-типу з’являється негативний заряд, а у приконтактній зоні п-типу - позитивний.

Різниця потенціалів між обємними зарядами називається потенціальним барєром. Його виникнення перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв зарядів із однієї області в іншу.Т.Ч. P-N перехід може бути охарактерезований наступними параметрами

1.Велечиною потенційного барєру

2 Шириною області в межах яких проходить дифузія.

5 . ВАХ р-п-переходу. Поняття про пробой р-п-переходу.

Оскільки у р-п переходу явно виражені нелінійні властивості, то залежність струму, що через нього протікає, від прикладеної напруги ілюструють за допомогою вольт-амперної характеристики (ВАХ).

Теоретична ВАХ р-п переходу показана на рис.Вона має пряму (1) та зворотну (2,3) гілки.

Вольт-амперна характеристика має дві гілки: пряму, розташовану в першому квадранті графіка, і зворотну, розташовану у третьому квадранті. Зворотний струм створюється дрейфом через pn-перехід неосновних носіїв заряду. Оскільки концентрація неосновних носіїв заряду на кілька порядків нижче, ніж основних, зворотний струм незрівнянно менше прямого.

Таким чином, р-п перехід має вентильні властивості (від німецького слова - клапан), тобто при прямому вмиканні його опір малий, а при зворотному - значний.

При зростанні від нуля зворотної напруги , швидкість руху неосновних носіїв через перехід зростає. При Uзв=Uпр швидкість рухомих носіїв така, що їх енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації - вибивання додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбувається лавиноподібний зріст зворотнього струму. Це явище називається електричним пробоєм р-п переходу, а U - напругою пробою. Якщопри цьому р-п перехід ефективно охолоджується, різке зростання потужності, що в ньому виділяється, не призводить до суттєвих змін температури структури і електричний пробій протікає при незмінній напрузі. Це явище має зворотний характер. Тобто, при зниженні Uзв запірні властивостір-п переходу відновлюються (гілка 2 ВАХ).

Явище електричного пробою використовується, наприклад, при створенні такого НП приладу як стабілітрон.

При неефективному тепловідведенні, температура структури зростає (кількість рухомих носіїв при цьому збільшується також за рахунок теплової генерації), доки електричний пробій не переходить у тепловий, коли матеріал розплавляється і р-п перехід руйнується. Тепловий пробій, зрозуміло, незворотний

Отже, р-п перехід - це явище, що виникає на межі двох НП різного типу провідності і характеризується відсутністю у прилеглій до цієї межі зоні вільних носіїв заряду, через що її опір нескінченний. Тому р-п перехід ще називають запірним шаром.

Насамкінець зазначимо властивості р-п переходу, що (в основному) використовуються при побудові електронних НП приладів:

1)одностороння провідність (вентильні властивості);

2)дуже великий опір зони р-п переходу як зони, де немає вільних носіїв заряду (запірні властивості);

3) зміна ширини р-п переходу зі зміною величини зворотної напруги (як результат - зміна ємності р-п переходу);

4)стабільність напруги на р-п переході у режимі електричного пробою;

5)наявність неосновних носіїв (що виникають внаслідок теплової генерації) в шарах р- і п-типу.

6. Будова напівпровідникових діодів.

Напівпровідникові діоди - це НП прилади, виготовлені на основі двошарових НП структур і які використовують властивості р-п переходу.

Широко розповсюджені випрямні діоди, дія яких базується на використанні вентильних властивостей р-п переходу.

Гідравлічний пружинний клапан (вентиль) може слугувати гідравлічною моделлю діода. Клапан має властивість одностороннього пропускання струменю рідини у залежності від напрямку тиску.

Випрямні діоди призначені для випрямлення змінного струму низької частоти.

Основними параметрами випрямних діодів є:

- граничний прямий струм діода Iпр - максимально допустиме середнє значення струму через діод у прямому напрямку за визначених умов охолодження, у сучасних діодів І = (0,1 , 3200) А;

- максимально допустимий прямий струм діода (імпульсний) становить (10 , 50)A

- прямий спад напруги U тобто середнє значення напруги на діоді при граничному прямому струмі І , для діодів з кремнію становить (0,6 . 1,0) В;

- максимально допустима зворотна напруга и що дорівнює максимально допустимому амплітудному значенню зворотної напруги, яке не призводить до виходу з ладу приладу за визначених умов охолодження, дорывнює (50 , 10000) В.

Виготовляються випрямні діоди переважно із кремнію (у перспективі -із арсеніду галію, як більш термостійкого).

Діодами Шоттки називають діоди, у яких використовується не р-п перехід, а перехід між напівпровідником і металом (молібденом або алюмінієм). Перехід, аналогічний до р-п переходу, виникає тут, наприклад, для напівпровідника п-типу за рахунок переміщення електронів із напівпровідника у метал. Іони донорної домішки створюють у приграничному шарі позитивний потенціал, через що виникає контактна різниця потенціалів. При подачі зовнішньої напруги такий перехід веде себе аналогічно до р-п переходу. Але пряме падіння напруги на ньому значно менше, оскільки одним з матеріалів переходу є метал з малим опором.

За рахунок відсутності проникнення дірок з металу у напівпровідник швидкодія діодів Шоттки також значно вища, ніж у звичайних діодів, бо відсутнє розсмоктування носіїв у металі при зміні полярності зовнішньої наруги. Тому вони можуть працювати на частотах до десятків гігагерц.

Завдяки меншій прямій напрузі (близько 0,3 В) к.к.д. приладу при пропусканні великих струмів (у силових вентилів) значно вищий, ніж у звичайних кремнієвих напівпровідникових діодів.

Діоди Шоттки знаходять широке розповсюдження як у пристроях інформаційної електроніки, так і у силових.

НП діод, на якому напруга в зоні електричного пробою майже не залежить від струму, називається стабілітроном. Як постає з ВАХ, зоні пробою напруга на стабілітроні майже не залежить від струму.

7. Нвч та імпульсні діоди.

Високочастотні діоди призначені для роботи на частотах до сотень мегагерц, де особливе значення відіграє інерційність діода, пов’язана з процесами накопичення зарядів у зоні р-п переходу при відкриванні діода та розсмоктування зарядів при його закриванні (при утворенні р-п переходу, як зони, вільної від рухомих носіїв заряду). Необхідно також враховувати власну ємність діода, як плоскінної структури (шари НП, розділені зоною р-п переходу з великим опором, утворюють паразитний конденсатор). Все це призводить до того, що зі збільшенням частоти значення прямого і зворотного струмів через діод стають сумірними і він втрачає властивість односторонньої провідності.

Імпульсні діоди використовують як ключові елементи в імпульсних пристроях. Фактично, це є різновид високочастотних діодів, бо вони також мають малу інерційність, що забезпечує малу тривалість перехідних процесів при замиканні та розмиканні ключа. Кінечне значення часу накопичення носіїв у зоні р-п переходу при переході діода у провідний стан після подачі на нього прямої напруги - при замиканні ключа - призводить до того, що опір ключа від великого значення до малого змінюється не миттєво. Наслідком є затягування фронту імпульсу напруги на навантаженні. При наступній різкій подачі на діодний ключ зворотної напруги, за рахунок розсмоктування зарядів з зони р-п переходу, змінюється лише напрямок протікання струму через діод. На навантаженні маємо викид напруги зворотної полярності з амплітудою, що дорівнює амплітуді імпульсу. І тільки через деякий час - час відновлення запірних властивостей - струм спадає до нуля (вірніше - до значення теплового зворотного струму р-п переходу) - ключ розмикається.