Основы разработки электронных устройств

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.

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.

За логическим действием с сигналами существует возможность схемной реализации. На рисунке 2.3 представлен один из возможных вариантов реализации инверсии уровня сигнала, используя транзистор и резисторы. Существуют разные типы логики, которые позволяют на радиоэлектронных приборах собрать логические операции. Здесь и далее разбираются конструкции из резисторно-транзисторной логики. Особенности и виды логики разбираются в подразделе «2.4 Теория о разных типах логики».