Евгений Николаев – Основы разработки электронных устройств (страница 4)

На основе обнаруженного эффекта инженер и физик изобрел и запатентовал световое реле, которое является по своей сути первым в мире прототипом светодиода.

Олег Лосев разработал трёхэлектродные схемы, которые по структуре были аналогичны транзисторам, но такая структура не обеспечивала усиления. Его работы не находили применения в промышленности из-за популярности и развития вакуумных ламп в те года.

Изначально p-n переход создавали путем физического соединения двух легированных полупроводников, один из которых p-типа, а другой n-типа. Первые шаги делали в этом делали в 1930- 1940 годах, когда учёные начали активно изучать полупроводники и их свойства. Одним из первых исследователей был русский физик Леонид Витенберг.

Первые образцы создавали буквально прижимая два типа полупроводника друг к другу. Прижимать пытались руками или простыми зажимами, такими как металлические зажимы или прижимные пластины.

Такой технологический процесс был очень грубым, без какого – либо спаивания или легирования. Такой контакт иногда показывал признаки выпрямляющего эффекта (ток проходил в одну сторону легче, чем в другую). Потому, что носители заряда из одной области начинали переходить в другую, но контакт был очень нестабилен и ненадёжен, на границе был плохой электрический контакт из-за воздушных прослоек и несовершенства поверхности, как итог – такой переход был очень слабым и быстро разрушался.

Происходило это потому, что полупроводники являются очень чувствительными материалами. Для создания качественного p-n перехода нужна чистая и ровная граница между p и n областями, которую не возможно обеспечить механическим способом, так как необходимо помнить о том, что на молекулярном уровне они будут далеко друг от друга, разделенные воздушными прослойками. Просто прижать два куска – это как попытаться склеить два листа бумаги без клея, даже если они и будут держаться, то не долго, так как контакта как такового не будет.

В итоге такой контакт давал эффект образования перехода, но с низким качеством. Для практического применения в составе приборов этого было не достаточно, такой переход был нестабилен и ненадёжен.

Поняв это, с развитием технологий стали создавать p-n переходы внутри одного кристалла с помощью легирования разных областей, что обеспечивало прочный и контролируемый контакт. Было это в 1940 годах, и как правило относят к исследователям из США (Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн).

На поверхность чистого кристалла германия наносили тонкий слой примеси (например, индия для p-типа).

После кристалл нагревали в специальных печах при высокой температуре, чтобы атомы примеси проникали внутрь и создавали область с другим типом проводимости.

Поверхность тщательно очищали от загрязнений и окислов, чтобы получить качественный переход.

Внутри одного кристалла формировалась граница между p- и n- областями настоящий p-n переход, который уже мог работать, как полупроводниковый диод в составе электронного устройства.

Эти первые эксперименты заложили основу всей современной электроники. Сегодня p-n переходы – это основа всех полупроводниковых и в целом почти всех электронных приборов, от светодиодов до микропроцессоров.

Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн в 1956 году получили нобелевскую премию за изобретение полупроводникового транзистора в 1947 году. Первый транзистор состоял из кристалла германия, к которому была прижата маленькая металлическая игла.

Игла была очень тонкой, их делали из материалов с хорошей проводимостью и устойчивых к окислению – из золота или серебра. Так, например, обычную швейную иглу использовать было нельзя, она слишком толстая, грубая и покрыта оксидной пленкой, которая ухудшит контакт. Даже если швейную иглу покрыть серебром, этого будет недостаточно, так как она тоще и грубее, чем иглы, которые использовали в первых транзисторах.

Кристалл германия имел n-тип проводимости, а под иглой создавалась небольшая p-область. Полученный транзистор мог усиливать электрический сигнал, конкурируя с вакуумными лампами, которые имели большие, по сравнению с этим образцом, размеры.

Иглы (электроды) прижимали к поверхности германия с помощью специальных держателей или маленьких приспособлений, например, треугольной пластмассовой призмы, обёрнутой золотой фольгой, которая была разрезана бритвой для создания очень маленького зазора между контактами. Такой узел позволял точно позиционировать иглы (электроды), создавая нужный контактный размер, который, как правило, был от 10 до 50 микрон, который в свою очередь образовывался на основе размера иглы. Какого размера игла – такого размера контактная область.

Нужно было нейтрализировать поверхностные заряды вокруг игл, для этого вначале использовали каплю электролита, а позже перешли к сухому контакту с анодированием поверхности германия.

Получается, что иглы не впаивали, а именно прижимали, чтобы не повредить кристалл и сохранить возможность регулировки.

Не смотря на получение практического результата, первый образец имел множество недостатков, он был очень чувствителен к механическим воздействиям – тряске, вибрациям, ударам.

Контакт без пайки, основанный только на механическом прижиме, «боялся» любого смещения иглы. Смещение иглы могло нарушить контакт, изменить площадь контакта, что влияет на его работу.

Из-за этого первые образцы транзисторов были хрупкими и нестабильными в эксплуатации.

Одновременно с изобретением точечного транзистора немецкие физики Гербертом Матаре и Генрихом Велькером, работая во Франции, изобрели полупроводниковый прибор, который назвали «транзистрон». Этот прибор стал первым серийно выпускавшимся биполярным транзистором в Европе и использовался около десяти лет.

Физики использовали германиевый кристалл с двумя тонкими металлическими контактами, которые прижимались к поверхности полупроводника на небольшом расстоянии друг от друга. Такая структура формировала p-n переходы и позволяла управлять током, а именно – усиливать электрический сигнал.

Когда на один контакт подают сигнал, он влияет на ток через другой, то есть сигнал усиливается.

2. Логические сигналы

Во второй главе этой книги представлена информация по следующим темам:

– понятие логического сигнала и реализации этого понятия в программировании и электронике;

– основные логические операции;

– правила формирования логических элементов на транзисторах;

– комплекс задач.

2.1 Описание основных операций

Логический уровень – это одно из конечных состояний, в которых может находиться сигнал.

Таких конечных состояний может быть два.

Наличие напряжения на выводе называют высоким уровнем напряжения. Высокий уровень напряжения соответствует логической единице («1») и соответствует истинности значения «true».

Отсутствие напряжения на выводе называют низким уровнем напряжения. Низкий уровень напряжения соответствует логическому нулю («0») и соответствует значению «false».

Если на выводе устройства, схемы, микросхемы или другого элемента не было напряжения и мы сделали так, что оно появилось – мы инвертировали сигнал.

Если напряжение было и мы сделали так, что напряжения на выводе пропало – мы снова инвертировали сигнал.

Таким образом, инверсия или логическое отрицание меняет уровень напряжения. Если на вход подать электрическое напряжение, то на выходе будет низкий уровень сигнала, и на оборот, если не подавать на вход напряжение, то на выходе мы будем наблюдать высокий уровень сигнала. Для такой реализации такой логической операции существует специальный логический элемент, который называют инвертором. Такой элемент имеет один вход, на который мы можем подавать напряжение и один выход, на котором мы получаем инвертированный результат наших действий.

Таблица истинности логического отрицания двух переменных (НЕ) представлена в таблице 2.1

Таблица 2.1

На этапе разработки устройства, для составления логических схем с использованием инвертора, используется специальное графическое обозначение, представленное на рисунке 2.1 (а) или на рисунке 2.1 (б). Обозначения равноценные, в разных компьютерных программах, на разных схемах, иногда можно встретить вариант, представленный на рисунке 2.1 (а), а иногда представленный на рисунке 2.1 (б). Вариант изображения зависит от того, какой используется стандарт, принятый в России или за рубежом.

Рисунок 2.1 – Обозначение инвертора на логической схеме: (а) зарубежный стандарт; (б) отечественный стандарт.

Так в компьютерной программе, которую разработали в Америке, вы встретите вариант соответствующий изображению на Рисунок 2.1 (а).

Находясь в России можно использовать и отечественный стандарт, и зарубежный. Применение зарубежного стандарта не будет ошибкой. Сокращению логической инверсии «НЕ» соответствует англоязычное «NOT».

Для тестирования изготовленного устройства, в том числе программного обеспечения – можно опираться на функциональную диаграмму (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Обозначение функциональной диаграммы

Внутри каждого круга на функциональном обозначении логического действия размещается обозначение узла схемы (порядковый номер или переменная). Каждый узел (круг) находится в одном из двух состояний, в состоянии логической единицы или нуля.