Евгений Николаев – Основы разработки электронных устройств (страница 3)

Рисунок 1.7 – Полупроводниковая структура тиристора

Так как тиристор образован на основе двух биполярных транзисторов, то функционально его можно собрать на их основе. Электрическая принципиальная схема представлена на рисунке 1.8

Рисунок 1.8 – Электрическая принципиальная схема тиристора

Так как такая сложная структура реализована под корпусом одного полупроводникового прибора, то используя тиристор и отображая его на схеме, необходимо использовать УГО представленное на рисунке 1.9

Рисунок 1.9 – УГО тиристора

С развитием технологии транзисторов, кроме биполярных транзисторы, появились и другие типы транзисторов. Такие, как полевые транзисторы, точечные транзисторы, плоскостные транзисторы, сплавные транзисторы, электрофохимические транзисторы, диффузионные меза-транзисторы, силовые транзисторы, эпитаксиальные транзисторы, многоэмиттерные транзисторы.

Эти типы развивались параллельно, совершенствуясь по характеристикам частоты, мощности, напряжения и технологии производства.

1.2 Основные радиоэлектронные приборы

Отдельно от описанного пути в подразделе 1.1 развивали такие основные приборы, как резистор, конденсатор и индуктивность.

Резистор – это прибор, который оказывает сопротивление электрическому току, уменьшая его на своём выходе. Поэтому основная характеристика резистора при его выборе – это электрическое сопротивление, которое измеряется в «омах», обозначаемых: «Ом».

Энергия не может просто пропасть, она всегда преобразовывается из одного вида в другой, поэтому физический принцип работы резистора заключается в том, что когда через него проходит электрический ток – он греется, тем самым переводя электрическую энергию в тепловую. На этом принципе основаны обогреватели. Поэтому второй важной характеристикой является мощность, если мощность резистора будет маленькой, а электрический ток через него будет проходит большой – резистор начнет сильно греться и в какой-то момент может сгореть. Если мощность будет достаточной, то нагрев резистора не будет ощущаться, резистор, не смотря на то, что переводит электрическую энергию в тепловую будет оставаться холодным, к чему и следует стремиться. Мощность измеряется в ватах, обозначаемых: «Вт». От нее зависит типоразмер резистора (его физический размер).

Третьей важной характеристикой резистора является его точность. Изготовить серию электронных компонентов с одинаковой характеристикой не возможно, всегда будет некоторое отклонение. Если его реальное сопротивление отклоняется от номинального (указанного) на 1%, то его точность 1%. Например, если номинальное сопротивление резистора 1000 Ом, а его точность 1%, то сопротивление такого резистора может находиться в диапазоне от 990 до 1010 Ом. Резисторы с точностью 1% считаются очень точными, цена на такие резисторы выше, чем на другие. В схемах обычно используют резисторы с точностью 5%.

В качестве первого резистора в 1844 году Жан-Шарль-Атанас Поль предложил использовать провод из определенных материалов для создания заданного сопротивления. В 1850 годах Иоганн Георг Мах изобрел новый концепт: наматывать провод на керамическое основание. Еще через десять лет появились угольные резисторы, которые уже имели более высокие значения сопротивления. Значительно позже изобрели пленочные, металлопленочные резисторы, которые уже были более точными и стабильными.

Бывают резисторы, которые меняют своё сопротивление под воздействием температуры, они являются полупроводниковыми и называются терморезисторами.

Бывают резисторы, которые меняют своё сопротивление под воздействием солнечного света, это тоже полупроводниковые приборы и называются они фоторезисторами.

Практически в любом полупроводниковом устройстве на основе транзисторов и других элементов можно встретить резистор, но обычный, не являющийся полупроводниковым.

Условно-графическое обозначение резистора представлено на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – УГО резистора

Первые резисторы были похожи на вытянутые бочонки с проволоками с двух сторон. Такой резистор впаивается в плату ножками или припаивается к проводам, поэтому называется резистором с гибкими выводами для навесного монтажа.

Такие резисторы используются и сейчас, но уже появились и более компактные варианты для изготовления электронных модулей на печатных платах. Именно по форме резистора с гибкими выводами и можно запомнить, как выглядит УГО. Вытянутый корпус и два вывода.

У резистора нет плюса или минуса, такой прибор называется не полярным и его можно подключать любой стороной.

Конденсатор – это прибор, который накапливает электрический заряд.

Первый конденсатор был изобретен в середине 17 века и представлял из себя лейденскую банку. Такая банка была стеклянной и наполненной водой, которая служила внутренним электродом. В банку погружался металлический стержень или проводник, обычно из меди, который был подключен к электростатической машине. Внешнюю поверхность банка в самом простом варианте было достаточно обхватить ладонью, что обеспечивало внешний электрод.

Лейденская банка со временем совершенствовалась и в качестве электродов стала использовать фольга, одним куском фольги покрывали стеклянную банку внутри, вторым куском фольги покрывали банку снаружи. Каждый кусок являлся электродом.

Позже стали использовать вместо воды стекло, вощеную бумагу и другие материалы, чтобы уменьшить размеры и повысить надежность.

В 1920 годах появились слюдяные конденсаторы с металлическим покрытием, а после Второй Мировой войны стали широко использоваться керамические. Они используются и сегодня.

Первые электролитические конденсаторы позволили увеличить ёмкость, а в своей конструкции стал иметь положительный и отрицательный вывод, который помечался на корпусе.

На сегодняшний день существуют многослойные керамические, танталовые, полимерные конденсаторы, которые продолжают совершенствовать.

Таким образом, конденсатор не является полупроводниковым прибором. Он представляет из себя компонент, который состоит из двух обкладок, которые проводят электрический ток и диэлектрика, который их разделяет. Электрический заряд накапливается на одной из этих обкладок и потом может использоваться, например, для фильтрации (для того, чтобы уменьшить электрические помехи).

Так как конденсатор накапливает электрический заряд, то основная его характеристика заключается в том, как много электрического заряда он может в себя вместить. Такая характеристика называется ёмкостью и измеряется она в фарадах, обозначаемых: «Ф».

Второй важной характеристикой конденсатора является напряжение, он должен быть способен выдержать то напряжение, которое через него будет проходить, иначе в нем разрушится диэлектрический слой. Разрушение может сопровождаться нагревом, искрами и даже взрывом. Чтобы этого избежать инженеры выбирают конденсаторы работающие под напряжением на 20% выше того, которое будет через него проходить на схеме.

Принцип запаса в 20% используется так же с мощностью резистора и в других вопросах схемотехники.

Условно-графическое обозначение конденсатора иллюстрирует две обкладки и расстояние между ними – диэлектрик. УГО представлено на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 – УГО конденсатора

Конденсатор может быть не полярным, тогда его можно подключать любым выводом, и полярным, тогда на УГО над одной обкладкой обозначается плюс, который говорит о том, что это положительный вывод. Если конденсатор полярный путать с подключением нельзя, такая оплошность грозит его выходом из строя.

Индуктивность, дроссель или катушка индуктивности – это прибор, который накапливает энергию в магнитном поле. Основная характеристика – индуктивность, измеряемая в единицах измерения генри, обозначаемых: «Гн».

Изобретение первой индуктивности стало фундаментальным для понимания связи между электричеством и магнетизмом.

Эти приборы были созданы независимо от описанного выше пути развития во время различных исследований, потому что их структура и принцип действия отличается от p-n перехода, тем ни менее, без них не обходится ни одно современное полупроводниковое электронное устройство.

1.3 Особенности и развитие технологического процесса изготовления полупроводниковых приборов

Советский инженер и физик Олег Владимирович Лосев задолго до изобретения p-n перехода, в 1920 годах, впервые заметил и подробно изучил явление усиления электрического сигнала в полупроводниках с точечным контактом, что стало предшественником транзистора. Он исследовал устройства с металлическим острием, которое прижималось к полупроводниковому кристаллу, для определения радиосигнала, но обнаружил, что так можно усиливать ток. Принцип p-n перехода тогда ещё не был известен, поэтому Лосев не мог связать свои наблюдения с этим явлением. Его открытия опирались на создание контакта металл-полупроводник, наблюдение свойств этого контакта и нелинейных вольтамперных характеристик, которые приводили к усилению сигнала. На основе этого контакта он создал устройство, которое назвал «кристанид». Кристанид – первый в мире полупроводниковый усилитель и генератор электрических сигналов. Таким соединением было соединение карборунда и карбида кремния, при прохождении тока через эту структуру возникало свечение, а электрический сигнал усиливался.