10. Элементная база электронной и микропроцессорной техники

Промышленная электроника − это область технической электроники, которая занимается применением электровакуумных и полупроводниковых приборов и созданных на их основе разнообразных систем в промышленности. Основные направления промышленной электроники:

− информационная электроника (вычислительная и информационно-измерительная техника, устройства автоматики);

− энергетическая электроника (мощные электровакуумные и полупроводниковые преобразователи электрической энергии);

− электронная технология (применение электронных и ионных пучков, высокочастотный нагрев и плавка, ультразвуковое резание и сварка).

Полупроводниковые химические элементы (германий, кремний) относятся к четвертой группе таблицы Менделеева и в чистом виде имеют высокое удельное электрическое сопротивление. Если к чистым полупроводникам ввести примеси вещества пятой группы таблицы Менделеева (фосфор, мышьяк), то атомы примеси легко ионизируются, отдавая пятый электрон. В материале возникают свободные электроны, а в узлах кристаллической решетки получаются неподвижиные дополнительные заряды − ионы примесей. Такие материалы, в которых основными носителями зарядов есть электроны, называют полупроводниками n-типа.

При внесении в полупроводниковый материал примесей третьей группы (алюминия, бора, индия) атомы таких примесей легко забирают на свои локальные энергетические уровни электроны из валентной зоны атомов основного материала. Вследствие этого возникает отрицательный ион примеси, а на месте оборванной валентной связи основного атома − дополнительный заряд, так называемая дырка. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов есть дырки, называют полупроводниками р-типу.

Электронно-дырочный переход − это зона на границе двух полупроводников с р- и n-проводниками. Если приложить к р-n-переходу постоянное напряжение прямого направления ("+" к полупроводника р-типа и "−" к полупроводнику n-типа), то при напряжениях U > 0,3÷0,5 В сопротивление перехода становится маленьким и он легко проводит ток. Если же приложить к р-n-перехода напряжение обратного направления − то сопротивление переходу становится очень большым и ток через переход практически отсутствует.

Полупроводниковые (п/п) приборы можно разделить на: п/п резисторы, п/п фотоэлектронные устройства, п/п диоды, биполярные транзисторы, полярные транзисторы, тиристоры, п/п интегральные микросхемы и комбинированные п/п приборы.

К п/п резисторам принадлежат: линейные резисторы с неизменным сопротивлением, варисторы (сопротивление зависит от приложенного напряжения), терморезистори (сопротивление зависит от температуры), фоторезисторы (сопротивление зависит от освещенности резистора) и тензорезистори (сопротивление зависит от деформации базы резистора).

П/п диоды − это п/п приборы с двумя выводами и одним р-п-переходом. Среди них наиболее широко используют в технических устройствах выпрямительные диоды, стабилитроны, фото- и светодиоди.

Основное свойство выпрямительных п/п диодов, − пропускать ток в прямом и не пропускать в обратном направлениях, − используют для выпрямления переменного тока специальными устройствами − выпрямителями. По мощности выпрямительные диоды делятся на диоды малой мощности ( ), средней мощности ( ) и большой мощности с прямым током от 10 до 1000 А и больше.

Стабилитроны − это диоды с низким напряжением пробоя. Они работают на обратной части вольт-амперной характеристики и используются для стабилизации напряжения на приемниках небольшой мощности.

Фотодиоды изменяют свою вольт-амперную характеристику в зависимости от освещенности и могут использоваться для регулирования тока в нагрузке с изменением освещенности (режим фотопреобразователя) или для преобразования световой энергии в электрическую (режим фотогенератора).

Светодиоды излучают световые лучи при протекании по них тока прямого направления и широко используются в световых индикаторах разного типа.

Биполярный транзистор − это прибор, который имеет три области с разными типами электропроводности, два р-п-перехода и три вывода − эмиттер, база, коллектор. Биполярным этот прибор называется потому, что ток в нем создается носителями зарядов двух типов − электронами и дырками. Возможные два варианта чередования структур в транзисторах, в соответствии с которыми существуют транзисторы типов р-п-р и п-р-п. Биполярные транзисторы используют для усиления электрических сигналов.

Коэффициент передачи тока α от эмиттера к коллектору в современных транзисторов находится обычно в границах . Коэффициент передачи тока от базы к коллектору

Конечно , но он может быть и большим. Приблизительно .

Возможны три схемы соединений транзистора как усилительного устройства с тремя выводами: схема с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Наиболее широко используется в усилителях схема соединений с общим эмиттером, поскольку она обеспечивает наибольший коэффициент усиления по мощности.

Биполярные транзисторы выпускаются на ток в цепи коллектора от для маломощных транзисторов для транзисторов большой мощности.

В полевых транзисторах протекание тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака (то есть или электронов, или дырок) в продольном электрическом поле через управляемый канал п- или р-типу. Управление током в канале осуществляется поперечным электрическим полем, а не входным током, как в биполярных транзисторах. Благодаря этому полярные транзисторы почти не потребляют тока в входной цепи. В устройствах промышленной электроники используют полярные транзисторы двух типов: с затвором в виде р-п-переход и с изолированным затвором.

Полярные транзисторы с изолированным затвором называют также МДП − транзисторами (металл − диэлектрик − полупроводник). Поскольку диэлектриком в МДП − транзисторах служит оксид, то их еще называют МОП − транзисторами (металл − оксид − полупроводник). МДП − транзисторы значительно более простые в изготовлении и занимают меньшую площадь поверхности кристалла, чем биполярный транзистор. Поэтому именно МДП − транзисторы широко используются для изготовления интегральных схем.

Биполярные полевые транзисторы дают возможность изменением напряжения на входе плавно менять ток в выходной цепи.

Тиристоры − это полупроводниковые управляемые приборы с тремя и больше р-п-переходами, которые способны под действием сигнала управление переходить от закрытого (непроводящего) состояния к открытому (проводящему). Этот переход происходит скачкообразно, поэтому тиристоры работают как электронные ключи. Два вывода тиристора (анод и катод) есть силовыми, а на третий вывод подается сигнал управления малой мощности. Тиристор переходит к проводящему состоянию, если на силовые его выводы подать прямое напряжение ("+" на анод и "−" на катод) и на управляющий электрод подается напряжение управления нужной величины и полярности. Тиристор переходит в непроводящее состояние, если напряжение на его силовых выводах становится обратным. Изменяя сдвиг по фазе между силовым напряжением и напряжением управления можно изменять время пребывания тиристора в открытом состоянии за один цикл появления на его силовых выводах напряжения прямого направления.

Мощные тиристоры могут пропускать средний прямой ток до 1000÷2000 А при напряжении от 100 до 4000 В.

Двухоперационый тиристор можно перевести к непроводящему состоянию изменением полярности сигнала управление. Но эти тиристоры имеют меньшие предельные токи и напряжения, чем обычные тиристоры.

Тиристоры используют для создания регулируемых выпрямителей, то есть преобразователей, которые обеспечивают преобразование переменного напряжения в постоянное с регулированием уровня этого напряжения. Тиристоры широко используют так же в инверторах, которые превращают постоянный ток в переменный, то есть выполняют функцию обратную функции выпрямителей, и в других преобразовательных устройствах.

Интегральная микросхема − это микроэлектронное изделие, которое имеет большую плотность размещения электрически соединенных элементов малой мощности, которые представляют собой единое целое, изготовленные в едином технологическом процессе и размещенные в едином герметическом корпусе.

Преимуществами аппаратуры на ИМС есть их высокая надежность и технологичность, маленькая масса и габариты. Средний срок безотказной работы микроэлектронного устройства, созданного на базе полупроводниковых интегральных микросхем, которые содержит 10⁸÷10⁹ элементов, достигает 5÷10 тысяч часов. ИМС выпускаются массово и потому относительно дешевые.

Интегральные микросхемы выполняют разнообразные функции преобразования и обработки сигналов. Примерами таких функций могут быть преобразование аналоговой информации в цифровую форму (то есть в соответствующее число, код которого выставляется на выходах ИМС) и обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый сигнал; превращение частоты в постоянное напряжение; преобразование постоянного напряжения в переменную с определенной частотой; преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное напряжение определенных частот для управления электромикродвигателями; преобразование интенсивности светового сигнала во время экспозиции фотоматериалов и т.п. На базе ИМС изготовляют также операционные усилители, логические и цифровые устройства, запоминающие устройства, микропроцессоры.