Текст книги "Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником"

Автор книги: Генрих Кардашев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 19 страниц)

Полупроводниковые приборы

Некоторые контакты между металлами, или металлом и углем, или металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могут возникнуть незатухающие колебания. Последнее и подтверждается на опыте.

О.В. Лосев. «Детектор-генератор; детектор-усилитель». Нижегородская радиолаборатория. Февраль 1922 г.

Диоды

С полупроводников фактически началась эра микроэлектроники, которая сейчас оставила далеко позади электронику вакуумную и газоразрядную. Основным «героем» различных полупроводниковых структур является так называемый р-n переход. Здесь: р – от positive, т. е. положительный, область дырочной проводимости, а n – от negative, т. е. отрицательный, область электронной проводимости. Схемотехническое изображение диода (рис. 12, б), в котором реализован р-n переход, соответствует мнемоническому правилу, согласно которому стрелку тока на схемах показывают во внешней электрической цепи источника от его «плюса» к его «минусу».

Рис. 12. Диоды:

_{а – внешний вид; б, в – УГО диода и стабилитрона и их модельные компоненты EWB}

Таким образом, треугольник (символ стрелки тока) – это как бы р-область «+», а вертикальная черта – это n-область «-». Поскольку подобное устройство является диодом, то по аналогии с электровакуумным диодом, соответствующие выводы часто называют анодом и катодом. Особенность работы диода в цепи отражается в зависимости его тока от напряжения, так называемой вольтамперной характеристике (ВАХ).

Для того чтобы выяснить смысл работы диода, достаточно взять любой выпрямительный диод и омметром (или мультиметром в режиме омметра) измерить его сопротивление для двух случаев его включения: прямом и обратном. В случае резистора получилось бы одно и то же число. Для диода же результаты этого нехитрого эксперимента дадут крайне малое сопротивление, если к его аноду подключен положительный вывод прибора, и очень большое при обратном включении. Этим приемом можно пользоваться для диагностики исправности диодов или определения их выводов. При отсутствии измерительных приборов можно попробовать провести подобный эксперимент с батарейкой и лампочкой от карманного фонарика. Собрав последовательную цепь: «плюс» батарейки-диод-лампочка-«минус» батарейки, проверяют ее работу при двух противоположных по знаку напряжениях на диоде. При подходящих параметрах компонентов цепи в одном случае лампочка будет гореть, а при другом – нет. Итак, проводимость диода сильно зависит от полярности приложенного напряжения. На сленге радиолюбителей «диод в одном направлении пропускает ток, а в другом – нет». А это позволяет производить выпрямление переменного тока, детектировать сигналы и т. п. Кстати, детектирование сигналов в простейшем радиоприемнике и привело к зарождению радиотехники.

Отмеченное выше основное свойство диода для конкретного образца имеет пределы: при очень большом прямом токе диод «сгорит», а при высоком обратном напряжении будет «пробит». Поэтому в паспортных данных на диоды всегда приводят величину допустимого прямого тока и допустимого обратного напряжения.

В этом плане описанным выше простым способом проверки диодов следует пользоваться, только если рабочее напряжение омметра меньше пробойного для диода. Однако это напряжение не должно быть меньше потенциального барьера р-n перехода полупроводникового материала соответствующего диода (0,7 В для кремния и 0,3 В для германия). Это лишний раз показывает, что всеми правилами и рекомендациями надо пользоваться вдумчиво. Так сказать, «семь раз примерь – один измерь», хотя, в другом смысле, для повышения точности требуются многократные измерения.

Диод, включенный на прямое напряжение, называют прямосмещенным, или открытым, а на обратное – обратносмещенным, или запертым.

По назначению различают диоды выпрямительные (для выпрямительных устройств), универсальные (для детекторов различного типа) и импульсные (для импульсных устройств).

В зависимости от использованного полупроводникового материала различают диоды германиевые, кремниевые и арсенид-галиевые. Германиевые диоды применяют в основном для детектирования слабых высокочастотных сигналов, а для выпрямителей используют кремниевые диоды.

«Экзотические» типы диодов

В большом семействе диодов, помимо рассмотренных выше «обычных», с простым р-n переходом, встречаются и своеобразные устройства с более сложными характеристиками. Ряд из них традиционно называют по фамилиям тех ученых, которыми они были разработаны.

Диоды Ганна представляют собой полупроводниковые приборы, имеющие сложную структуру зоны проводимости (из арсенида галлия с электронной электропроводностью), работающие на основе открытого в 1963 г. американским физиком Дж. Б. Ганном эффекта, заключающегося в возникновении автоколебаний тока в подобных системах. Колебания возникают в определенном интервале прямых напряжений на диоде на падающем участке ВАХ, имеющей N-образный характер. Используются в СВЧ-генераторах.

Диоды Есаки, или туннельные диоды, основаны на квантово-механическом туннельном эффекте просачивания носителей заряда сквозь потенциальный барьер. Эффект был открыт японским физиком Есаки в 1958 г. ВАХ диода также имеет N-образный характер, поэтому их используют как генераторные, а также в качестве усилительных и переключательных.

Диоды Зенера, стабилитроны или опорные диоды – кремниевые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ. В прямом направлении зенеровские диоды ведут себя как «обычные». Работа же при обратном смещении имеет следующую специфику: до некоторого порогового напряжения диод, как обычно, заперт, а при большем обратном напряжении он пробивается. Но это не беда, как для «обычного» диода, в том и заключается «фокус», что пробой в зенеровском диоде носит обратимый характер. Этот-то участок его ВАХ и используется для стабилизации напряжения и включается он «шиворот-навыворот». Характеристиками данного диода служат напряжение пробоя, составляющее от 2,4 до 91 В, и рабочий ток (от 3,9 до 320 мА).

Диоды Шоттки имеют структуру металл-полупроводник, позволяющую получить высокое быстродействие при переключениях напряжения. Очевидно, на особенность поведения этого контакта впервые обратил внимание еще в 1922 г. сотрудник Нижегородской радиолабаратории О. В. Лосев, систематическое же исследование провел В. Шоттки, именем которого и были названы подобные полупроводниковые приборы. Обычно диоды Шоттки изготавливают на основе кристаллов кремния или арсенида галлия. Они широко используются в СВЧ-технике связи и как составной элемент интегральных логических микросхем.

Пин-диоды, или p-i-n-диоды, выполняют в виде многослойной структуры, в которой между р и n областями полупроводника образуется слой с высокой собственной электропроводностью, называемый i-слоем. В режиме переключения проводимость этого слоя меняется на четыре порядка, что позволяет использовать пин-диоды, например, как быстродействующие, переключательные СВЧ-диоды.

Варикапы (от англ. varyable – переменный и capacity – емкость) – диоды, у которых используется барьерная емкость запертого р-n перехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения. Если рассматривать диод как своеобразный конденсатор, можно обнаружить, что толщина потенциального барьера р-n перехода будет тем больше, чем больше (по модулю) обратное напряжение. Его увеличение как бы раздвигает обкладки конденсатора, что приводит к естественному уменьшению емкости. Существование барьерной емкости обычно ограничивает быстродействие диодов и их частотные характеристики, в варикапах же «то, что немцу плохо…», наоборот, работает на пользу. При прямых напряжениях эта емкость шунтируется малым сопротивлением и снижается добротность. Основными характеристиками варикапов служат: номинальная, минимальная и максимальная емкости; максимально допустимое напряжение и мощность. Варикапы применяют для электронной настройки колебательных контуров.

Поскольку полупроводниковые материалы и структуры из них весьма разнообразны, то и приборов на их основе создано, помимо перечисленных, и будет еще создаваться очень много. Однако, прервем на этом наш обзор, отнеся лишь рассмотрение фото– и светодиодов, в раздел оптоэлектронных компонентов.

Тиристоры

Развитие силовой полупроводниковой электронной техники шло по пути вытеснения электровакуумных и газоразрядных приборов из выпрямителей и преобразователей.

Тиристоры – это обширный класс полупроводниковых приборов, используемых для выпрямления и электронного переключения. Они являются полупроводниковыми устройствами с двумя устойчивыми состояниями, имеющими три или более р-n переходов. Поскольку в качестве полупроводника в тиристорах используется кремний, то в отечественной литературе их также называют кремниевыми управляемыми вентилями.

Тиристоры широко используются для регулирования мощности постоянного и переменного тока в нагрузке за счет ее включения и выключения. Тиристоры были изобретены примерно через десять пет после изобретения биполярного транзистора, который имеет трехслойную структуру (р-n-р или n-р-n). Простейший тиристор имеет четырехслойную структуру (р-n-р-n). На первый взгляд может показаться, что здесь нет ничего нового: просто два диода (р-n) перехода, соединенных последовательно. Однако это совсем не так.

Соединив два диода последовательно, получим такую цепь: проводник (анод) – р слой – n слой – проводник – р слой – n слой – проводник (катод). Отличие заключается в том, что в такой неправильной модели в средней части структуры область n-р перехода заменяется проводником, и… «вместе с водой выплескивается ребенок». Именно эта обратно смещенная область разделяет всю структуру и играет поэтому роль первой скрипки. При подаче на такую структуру напряжения – плюс к аноду, минус – к катоду, два крайних р-n перехода будут открыты (как прямо включенные диоды), а средний n-р переход будет закрыт (обратно смещенный диод), и вся структура окажется запертой (сквозной ток будет близок к нулю). Если напряжение на этом переходе превысит некоторый предел – напряжения включения – U_вкл, то структура как бы открывается. Можно также дополнительно управлять этим процессом, сделав дополнительный вывод (управляющий электрод) от срединной области р и задавая определенный ток управления I_ynp.

Тиристоры, имеющие два вывода, т. е. диодные тиристоры называют динистороми, а триодные – тринисторами. Вообще же, для образования названия этого класса полупроводниковых приборов – тиристоры – был использован смешанный способ аббревиации путем сложения греческого тира (thyra – дверь) и части слова резистор (или транзистор). Роль открытой или запертой «двери» играет вышеупомянутая область n-р перехода, а роль «ключа» к ней – напряжение для диодной структуры и управляющий электрод – для триодной (рис. 13).

Рис. 13. Тиристоры:

_{а – внешний вид; б – УГО и компоненты EWB}

Правда, введение этих красочных метафор в электронику было выполнено ранее для газоразрядных приборов с управляющей сеткой – тиратронов, вытесненных тиристорами.

Основными параметрами тиристоров являются: напряжение и ток включения, удерживающий ток и напряжение в открытом состоянии, отпирающий ток управляющего электрода и максимальное обратное напряжение.

В вышеописанных тиристорах рабочий ток протекал только при положительной полярности приложенного напряжения, т. е. их ВАХ не симметрична, что с успехом используется в управляемых выпрямителях. Потребность в управляемых источниках переменного тока привела вначале к использованию «встречновключенных» пар тиристоров, а затем к созданию приборов с симметричными характеристиками. Эти тиристоры были названы американской фирмой «General Electric» диак (DIAC – Diode AC semiconductor switch) и триак (TRIAC – Triode AC semiconductor switch). В отечественной литературе симметричные тиристоры называют симисторами. Эти приборы имеют многослойную полупроводниковую структуру из чередующихся типов проводимости: n-р-n-р-n, что и приводит к своеобразию их ВАХ.

Транзисторы

Биполярные транзисторы

Еще на заре развития радиоэлектроники для детектирования колебаний использовался контакт тонкой проволочки («кошачьих усов») с полупроводниковым минералом галенитом. В 1921–1922 гг. сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев на основе полупроводникового диода создает знаменитый «Кристадин», где впервые используется особый режим усиления высокочастотных колебаний. Однако эти исследования были оставлены без должного внимания и несправедливо забыты. Господство электронных ламп продолжалось.

Перенесемся мысленно на полстолетия назад в лабораторию известной телефонной компании «Белл», где группа физиков возобновила прерванные войной исследования в области полупроводниковых материалов. Руководит группой физик-теоретик Уильям Шокли, вместе с ним работает физик-теоретик Джон Бардин и физик-экспериментатор Уолтер Браттейн.

Изучая полупроводники, Шокли намеривался в соответствии с разработанной им теорией воздействовать на ток, протекающий в них, электрическим полем. Этот эксперимент, как бы повторяющий идею электронно-вакуумного триода, не дал положительных результатов. Тогда Бардин и Браттейн, пытаясь разобраться в причинах постигшей их неудачи, решили провести более детальные исследования с точечными контактами металла и поверхности полупроводника. Пластинка кристалла германия n-типа была припаяна к заземленному металлическому диску-основанию (отсюда впоследствии появилось понятие базы). Сверху к кристаллу на расстоянии долей миллиметра были прижаты кончики двух золотых волосков (те же «кошачьи усы»). Однажды, в конце декабря 1947 г., Бардин и Браттейн подвели к одному из золотых контактов (который играл роль эмиттера) электрический сигнал звуковой частоты с небольшим положительным смещением, а на другой золотой контакт (служивший коллектором) подали значительно большее отрицательное напряжение. Исследователи с изумлением обнаружили, что сигнал на коллекторе оказался в 50 раз больше исходного.

Так был рожден точечный транзистор. Это был своеобразный залп «Авроры», предвещавший начало «транзисторной революции», с неизбежностью несущей на своих богатырских плечах революцию информационную. Шокли тут же разработал совершенную теорию его работы и вдобавок, в развитие своих первоначальных идей, предложил конструкцию плоскостного транзистора. Десять лет спустя все трое за эти работы были удостоены Нобелевской премии.

Вначале, описывая изобретенное устройство как элемент электрической цепи, исследователи назвали его Transresistor от Transfer resistor (передающий резистор), а уж затем сократили до современного Transistor (транзистор).

Рассматриваемые транзисторы имеют трехслойную структуру с чередующимися типами проводимости электронной (n) и дырочной (р), т. е. n-р-n или р-n-р. Наличие двух видов носителей зарядов обусловило их название «биполярные транзисторы». Современные транзисторы изготавливают совсем по другим технологиям, и они совсем не похожи на своих предтечей. Однако условное графическое обозначение биполярных транзисторов несет на себе исторические черты их рождения: средняя поперечная черта – пластинка-основание, символизирует базу, а две косые черточки, контактирующие с ней, два других электрода (бывшие «кошачьи усы») – это коллектор и эмиттер. Для того чтобы отличать транзисторы двух типов эмиттер изображают в виде стрелки, направленной к базе для р-n-р типа и от нее для n-р-n типа.

Таким образом, и здесь, как и в диоде, за основу взято условно-положительное направление тока в цепи: «от плюса к минусу» или, в данном случае, от p-области к n-области. Помня это нехитрое правило, не трудно по графическому изображению транзистора на схеме указать его тип, а это позволяет, по крайней мере, сразу разобраться с включением полярности источников питания (рис. 14).

Рис. 14. Транзисторы:

_{а – внешний вид; б, в – УГО биполярных транзисторовn-р-n и р-n-р типов и их модельные компоненты EWB; г, д – УГО полевых транзисторов с n- и p-каналами и их модельные компоненты EWB}

Как уже указывалось выше, транзистор, представляющий собой электрический трехполюсник, включается в каскады в качестве четырехполюсника, поэтому один вывод с неизбежностью становится общим, что и дает название схеме включения. Наиболее распространенной является схема с общим эмиттером. Схемотехника транзисторных цепей с общим эмиттером аналогична схемотехнике ламповых цепей с триодами: эмиттер – катод, база – сетка, а коллектор – анод.

Полевые транзисторы

История изобретения и создания этого класса полупроводниковых приборов достаточно туманна: в разных источниках скупо упоминаются различные люди и даты. Возможно, что это связано с большой разновидностью подобных устройств. Поэтому, не анализируя, перечислим все известные нам факты в хронологическом порядке. В 1925 г. Юлиус Лилленфельд изобрел полевой транзистор с р-n переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. В 1939 г. английский ученый О. Хейл получил патент на устройство, в котором электрическое поле изолированного электрода управляло током, протекающим в тонком слое полупроводника. В 1952 г. упомянутый выше Шокли дал теоретическое описание униполярного полевого транзистора. Такие транзисторы, получившие название полевых с управляемым р-n переходом были впоследствии изготовлены Дейси и Россом, которые в 1955 г. также дали аналитическое описание их характеристик. В 1956 г. С. Тешнер (Франция) изобрел одну из разновидностей полевых транзисторов. В 1960 г. М. Атала и Д. Канг предложили использовать структуру металл-окисел-полупроводник в качестве основы для создания особого вида полевых транзисторов. Очевидно, что именно с этих транзисторов, которые стали широко использоваться в интегральных микросхемах, и по-настоящему началась эра полевых транзисторов. Полевые транзисторы не вытеснили биполярные, а лишь удачно дополнили их, так как обладали рядом уникальных особенностей, с которыми можно легко ознакомиться в виртуальных моделях.

Вначале дадим некоторые пояснения терминов и обозначений. Названия этого класса полупроводниковых приборов связаны с их принципом действия. В некоторой области полупроводника (канале, отсюда одно из названий – канальные) протекает ток основных носителей заряда, одного знака отсюда – униполярные транзисторы. Управление значением тока осуществляется поперечным электрическим полем, отсюда другое название – полевые транзисторы (в английской транслитерации – Field Effect Transistor, сокращенно FET). Все эти названия с разных сторон характеризуют один и тот же прибор и являются общеупотребительными.

Все разновидности полевых транзисторов можно, по существу, разделить на два больших класса: полевые транзисторы с управляющим р-n переходом – Junction (плоскостной) FET, или JFET, и полевые транзисторы с изолированным затвором – Insulated (изолированный) Gate (затвор), т. е. Insulated Gate FET, или сокращенно IJFET. Транзисторы последнего типа содержат в своей структуре Металл-Оксид-Полупроводник, отсюда сокращенно МОП или, на английском, Metall-Oxide-Semiconductor FET (MOSFET). Поскольку используемые оксиды (диоксид кремния SiО₂) являются частным случаем диэлектрика, то в русском наименовании слово «оксид» меняют на «диэлектрик» и тогда аббревиатура превращается в МДП (соответственно в английском это Insulator и сокращенно MISFET). Выделяют также полевые транзисторы с каналом n-типа на основе арсенида галлия GaAsFET.

Использование комплементарных структур добавляет в русской аббревиатуре в их названии префикс «К»: КМОП или в английском «С» (от Complementary): CMOS. Именно последний акроним используется для обозначения энергонезависящей памяти компьютера, выполненной в виде интегральной микросхемы по соответствующей технологии. Данная микросхема хранит все начальные установки конфигурации ПК и, обладая малым потреблением энергии, работает годами без выключения, питаясь от миниатюрного аккумулятора.

В символике УГО полевых транзисторов (см. рис. 14 г, д) присутствует все та же направляющая стрелка, обозначающая электрод, называемый затвором (Gate), два других электрода имеют очевидные названия: исток (Source) – аналог эмиттера, сток (Drain) – аналог коллектора.

В полевом транзисторе с каналом p-типа полярности источников обратны. Поскольку входное сопротивление полевого транзистора составляет сотни мегаом. то не трудно сообразить, что ток, протекающий через затвор, очень мал (составляет единицы наноампер, а для МОП транзисторов даже единицы пикоампер). В отсутствие напряжения на затворе ток через него практически равен нулю. В этом, собственно, и заключается основная особенность полевых транзисторов по сравнению с биполярными, обусловившая их широкое распространение в микроэлектронике.

В отличие от виртуальной электроники, в реальной обращение с МОП– и МДП-транзисторами требует большой осторожности. Дело в том, что большая рабочая чувствительность транзисторов связана с использованием тончайших пленок окислов или диэлектрика. Подобные пленки могут быть разрушены даже такими небольшими статическими зарядами, которые возникают на теле человека. Это приносило массу неприятностей при работе с полевыми транзисторами. Для того чтобы избежать повреждения, МОП-транзисторы обычно поставляются с соединенными вместе выводами с использованием специальной упаковки. Особые меры предосторожности принимаются при их монтаже (заземление рабочего инструмента и руки с помощью металлического браслета на запястье и т. п.). К счастью, новейшие МОП-транзисторы теперь частично защищены с помощью стабилитронов, включенных внутри транзистора между затвором и истоком.

Тем не менее, положительные свойства полевых транзисторов таковы, что именно широкое использование МОП-транзисторов в интегральных микросхемах в свое время революционизировало всю цифровую электронику.