книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

Второе поколение электронных приборов связывают с созданием полупроводниковых транзисторов, применение которых привело к повы­ шению надежности и существенному снижению габаритных размеров уст­ ройств. Наряду с проводными соединениями развивалась технология пе­ чатного монтажа, позволяющая автоматизировать процесс сборки.

Появление пленочной технологии позволило организовать изготов­ ление однотипных изделий в едином технологическом цикле, ознаменова­ ло переход к этапу интегральной микроэлектроники. Вместе с электрон­ ными компонентами выполнялись и их соединения, что исключало воз­ можные ошибки монтажа, повышало надежность аппаратуры и увеличива­ ло процент выхода годных изделий.

Поскольку требования, предъявляемые к электронным средствам, за­ висят от сферы их применения, то это привело к созданию и производству огромной номенклатуры выпускаемых электронных изделий. В основе систематического подхода к изучению разнообразных электронных при­ боров и устройств лежит классификация в соответствии с выбранными признаками, определяющими их основные параметры.

Распространена классификация по виду физико-химических явлений и процессов, заложенных в принципы функционирования и изготовления из­ делий. В соответствии с таким признаком электронные приборы подразде­ ляют на в а к у у м н ы е (электронные лампы, электронно-лучевые трубки), т в е р д о т е л ь н ы е (полупроводниковые приборы, оптоэлектронные эле­ менты), к в а н т о в ы е (лазеры, голографические приборы).

По назначению электронные средства делят на две группы:

•силовые приборы (преобразователи мощности), служащие для при­ дания заданных свойств электрическим' напряжениям (токам), поступаю­ щим от неуправляемых источников;

•информационные устройства, предназначенные для преобразования электрических сигналов, служащих носителями информации.

По виду входных и выходных сигналов различают приборы:

•аналоговые, работающие с непрерывными во времени сигналами;

•дискретные (импульсные), оперирующие сигналами, которые суще­ ствуют только на ограниченных временных интервалах;

•дискретно-аналоговые, обеспечивающие преобразование одного ви­ да сигнала в другой.

Вотдельную группу выделяют цифровые устройства, оперирующие квантованными сигналами, которые представлены кодированными им­ пульсными последовательностями.

По конструктивно-технологическому исполнению выделяют прибо­ ры, выпускаемые в виде отдельных компонентов (транзисторы, диоды) и интегральных микросхем (ИМС).

Наиболее быстрыми темпами в последнее время развивалась твердо­ тельная полупроводниковая электроника, являющаяся базой информаци­ онной, вычислительной и преобразовательной техники.

Совершенствование и функциональное усложнение электронных устройств немыслимо без создания современных средств их автоматизиро­ ванного проектирования, включающих теоретические предпосылки по­ строения моделей элементов, разработку численных методов и программ­ ных средств их исследования.

Теоретической основой исследования электронных устройств явля­ ются методы классической электродинамики или электронных цепей. Схемотехника электронных систем базируется на законах преобразования электрических токов и напряжений в цепях, представляющих собой соеди­ нение электронных и электрических элементов. Электрические сигналы в процессе их формирования, обработки и передачи подвергаются различ­ ным преобразованиям: усилению, фильтрации, масштабированию, дискре­ тизации, модуляции, хранению, отображению и т.д. При этом уровни мощности сигналов лежат в пределах от долей нановатт до десятков мега­ ватт в весьма широком частотном диапазоне до сотен мегагерц.

1.2. Способы описания элементов электронных устройств

Описание процессов в электронных элементах и устройствах базиру­ ется на уравнениях классической электродинамики Максвелла, оперирую­ щей с векторами напряженности электрического поля E (x,y,z,t) и индук­ ции магнитного поля B(x,y,z,t)> которые характеризуют проявление со­ ставляющих электромагнитного поля в форме силового воздействия на не­ подвижный и движущийся заряд q. Для учета влияния зарядов элементар­ ных частиц и микротоков вещества вводят усредненные по объему векто­ ры поляризации и намагниченности, которые оказывают влияние на сум­ марное электромагнитное поле в среде, характеризуемое векторами элек­ трического смещения D и напряженности магнитного поля И

Уравнения Максвелла описывают истоки и характер электромагнит­ ного поля в форме системы дифференциальных уравнений в частных про­ изводных относительно векторов поля. Для конкретного устройства необ­ ходимо сформулировать краевую задачу, т.е. записать в рациональной сис­ теме координат систему уравнений электродинамики с начальными и гра­ ничными условиями, решить их и произвести обработку полученных ре­ зультатов. Это весьма сложная математическая задача. Анализ элементов на основе решения краевой задачи выполняют только на этапе построения моделей и вычисления их параметров.

Для большинства приложений применяется схемотехническое опи­ сание электронных элементов и систем с использованием зависящих от времени скалярных величин: заряда q(t\ тока i{t)-dqjdt, напряжения u(t\

магнитного потока	Ф(/). Электронное устройство при этом заменяют
э л е к т р и ч е с к о й	ц е п ь ю - совокупностью элементов, соединенных

проводниками. Заметим, что вначале электроприборы также производи­ лись в виде набора конструктивно завершенных элементов, электрически соединенных проводами, однако, развитие интегральной технологии при­ вело к созданию устройств, представляющих собой области с различными электрофизическими свойствами, сформированные в едином рабочем слое. Методы теории электрических цепей оказались применимыми и весьма перспективными для моделирования и проектирования микроэлектронных систем.

Преимущественное использование методов теории электронных це­ пей обусловлено существенно более простым математическим аппаратом их описания в форме обыкновенных дифференциальных уравнений, что обеспечило широкие возможности анализа при достаточной точности за счет применения моделей различной степени сложности.

Подход к построению микроэлектронных изделий путем формиро­ вания на общей подложке отдельных элементов и их соединения проводя­ щими дорожками (трассами) также базируется на схемных моделях.

Применимость схемотехнического описания обоснована тем, что векторы поля £(/,x,y,z), H (t,x9y,z) в подавляющем большинстве элек­ тродинамических моделей содержат раздельную зависимость от простран­ ственных координат и времени. Это позволяет использовать эквивалент­ ные схем электрических устройств. Исключение составляют электромаг­

нитные волны, описывающие векторы которых E (t± r/v ), H(t ± r/v) за­

висят от переменной, включающей время t и расстояние г до источника. При моделировании быстродействующих приборов следует оценить

соотношение расстояния, на которое распространяется электромагнитная волна за интервал изменения фронта импульса, с характерным размером электронных компонентов. Например, если размеры элементов не превы­ шают 1мм, то длительность преобразуемого сигнала должна удовлетворять

условию t" > //с = 10"3/3-108 =3,3-КГ11 с = 30пс или максимальная часто­

та не должна превышать значение Fm< 3• 1011Гц.

Напряжения u{t) и токи /(/), характеризующие процессы в электрон­ ной цепи, удовлетворяют правилам Кирхгофа. Алгебраическая сумма то­ ков ветвей, сходящихся в узле, равна нулю для любого момента времени. Например, для узла Ç произвольной цепи (рис. 1.1,а) справедливо соотно­ шение i2-н4 - i x- i } = 0. Аналогичные равенства несложно составить для всех остальных узлов цепи. Алгебраическая сумма напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна нулю в произвольно взятый момент вре­ мени. Так для левого контура можно записать соотношение щ + м2- иу = 0.

При этом элементы цепи характеризуются соотношениями между напря­ жениями и токами.

Рис. 1.1. Схема электронной цепи {а) и ее элемент (б)

По числу внешних зажимов элементы могут быть двух-, трех-, четы­ рех- и многополюсными. Для двухполюсного элемента с двумя зажимами (рис.1.1,6) напряжение ип - <pt(f) - ф2(0 и ток *(0 определяют мощ­

ность /?(/) = u(t) • i(t) . В зависимости от направления	передачи мощности
или тока элементы подразделяют на п а с с и в н ы е	(приемники) и а к ­

ти в н ы е (источники). Многополюсные элементы характеризуются зави­ симостями токов от напряжений относительно базисного узла, потенциал которого принимают равным нулю.

Для создания единых методов описания и анализа цепей вводят идеализированные (схемные) компоненты, отражающие единственную сторону электромагнитного явления: источник только генерирует электри­ ческую энергию; индуктивный и емкостный элементы концентрируют магнитную и электрическую энергию; резистивный - моделирует преобра­ зование электрической энергии в другие виды (тепло).

Кпассивным двухполюсным элементам относятся:

•резистивный (рис. 1.2,а \ описываемый вольт-амперной характеристи­

кой u(i) или линейной зависимостью u(t) = /?/(/), где R —сопротивление;

• индуктивный (рис. 1.2,б), описываемый вебер-амперной характеристи­ кой Ф(/) или линейной зависимостью <É>(f)=L/(f)i которую можно привести к выражению напряжения u(t) = d<&/dt = Ldi/dt, где L - индуктивность;

• емкостный (рис. 1.2,в), описываемый кулон-вольтной характеристикой q(u) или линейной зависимостью q(t) = Cu(t)9 которую можно привести к выражению тока i(t)=dq/dt=Cdu/dt, где С - емкость.

R	i
- с	D—	z Ë	f
я)	в)	и	>

Рис. 1.2. Резистивный (а), индуктивный (б), емкостный (в) пассивные элементы: источники напряжения (г) и тока (d)

Активные двухполюсные элементы (источники энергии) представ­ ляют с помощью идеализированных моделей:

• источника напряжения или ЭДС (рис. 1.2,г), характеризуемого напряжением w(f) =V(t), вне зависимости от значения тока *'(/);

• источника тока (рисЛ.2,6), характеризуемого током i(t) = J(t) вне зависимости от значения напряжения u(t).

Широкое распространение получили четырехполюсные преобразо­ ватели, зажимы которых разделены на пары входных и выходных для под­ ключения источника сигнала и нагрузки (рис.1.3,д).

Рис. 13. Четырехполюсный преобразователь (а)щтрансформатор (б) и его модель (в)

Типичными примерами таких устройств являются усилители, транс­ форматоры, фильтры. Принцип действия трансформатора (рис. 1.3,б) осно­ ван на наведении напряжения за счет магнитной связи (электромагнитной индукции). Уравнения трансформатора записываются в форме:

и] = Lx dixjdt + М di2/dt, и2 = М dix/dt+ L2 di2jdt,

где M —взаимная индуктивность.

Для моделирования эффекта зависимости тока одного зажима от на­ пряжения другого в теории электрических цепей введены идеальные схем­ ные элементы в виде зависимых (управляемых) источников: тока, управ­

ляемого напряжением		(рис. 1.4,<я); напряжения, управляемого			током
(рис. 1.4,6);	напряжения,	управляемого	напряжением	(рис. 1.4,в);	тока,
управляемого током (рис. 1.4,г).
ИТУН	ИНУТ		ИНУН	ИТУТ

Рис. 1.4. Управляемые источники

Реальные компоненты цепи составляют из совокупности идеальных элементов, приходя к эквивалентным электрическим цепям или схемам за­ мещения. В результате сложные электронные устройства, блоки и системы анализируют с помощью эквивалентных схем, которые содержат совокуп­ ность идеальных элементов, соединенных идеальными проводниками. На­ пример, эквивалентная схема трансформатора (рис. 1.3,б) содержит два ис­ точника напряжения, управляемых токами /, и i2(рис. 1.3,в).

Простые реальные компоненты электронных устройств (приемники, источники напряжения и тока, усилители) при определенных условиях имеют характеристики, весьма близкие к характеристикам идеальных

элементов. Например, управляемые источники реализуются на усилителях со специально подобранными параметрами. Резисторы, конденсаторы, ка­ тушки индуктивности в достаточно широком диапазоне сигналов можно заменить идеальными элементами, что позволяет в первом приближении синтезировать устройства на основе эквивалентных схем.

Такой подход основан на том, что в электротехнических устройствах можно выделить области пространства (элементы конструкции), в которых преобладающим является влияние одной составляющей электромагнитно­ го поля (электрической или магнитной). Концентрации энергии способст­ вуют материалы с большими значениями в, р, а.

1.3. Электротехнические материалы в электронике

Для изготовления элементов электронных схем используют широкий набор материалов: проводящие металлы, сплавы и жидкости, диэлектриче­ ские соединения и смеси, полупроводниковые материалы, магнитные сплавы, ферролаки и др.

Характеристики электронных элементов зависят от свойств, приме­ няемых в их конструкциях материалов. Например, с целью улучшения па­ раметров трансформатора (коэффициента связи) катушки размещают на магнитопроводе из материала с заданными магнитными свойствами. Элек­ тромагнитные свойства материалов характеризуются удельной электриче­ ской проводимостью о, относительными диэлектрической в и магнитной р проницаемостями.

Электопроводность материалов обусловлена различными физиче­ скими явлениями (электронная, ионная, дырочная) и зависит от заряда час­ тиц, их плотности в единице объема, подвижности. В соответствии с их удельной электрической проводимостью, лежащей в очень широких пре­ делах от (10 7 до 108 См/м), используемые в электронике материалы делят на диэлектрики (а< 10~7См/м), полупроводники (а = 10 -7...Ю4 См/м) и проводники (а=106...Ю8 См/м).

В электронных изделиях применяют провода и несущие конструкции из различных металлов и их сплавов, отличающихся хорошей электропро­ водностью вследствие наличия большого числа свободных электронов (плотность 1023 см~3). Для электрических соединений используют медь (удельная электропроводность а = 57 МСм/м, удельное сопротивление I/o = р = 0,018 мкОм-м), алюминий (а = 36 МСм/м, р = 0,028 мкОм-м) и иногда сталь (а = 8 МСм/м, р = 0,12 мкОм-м). В электронных приборах применяют сплавы с высоким сопротивлением, которое более чем на по­ рядок выше, чем у проводников: манганин (р = 0,46 мкОм-м), константан (р = 0,48 мкОм-м), алюмель (р = 0,29 мкОм-м), хромель (р = 0,67мкОм-м).

Для изоляции токоведущих частей электронного оборудования при­ меняют различные диэлектрические материалы: лаки и краски, жидкие ди­

электрики (масла), волокнистые (бумага, ткани, лакоткани), слоистые и слюдяные (текстолит, гетинакс, слюдинит), керамические (электрофарфор, стеалит), стекло и др. Идеальный диэлектрик характеризуется ничтожно малой плотностью свободных зарядов и о = 0 . Реальные материалы обла­ дают достаточно высокими значениями удельного сопротивления: фарфор (керамика) имеет р = 1013 Ом-м, полистирол - р = 1016 Ом-м.

Важным параметром изоляционных материалов является их способ­ ность к поляризации, характеризуемая относительной диэлектрической проницаемостью (в> 1), которая изменяется в достаточно широких преде­ лах. Газы (в том числе воздух) имеют в^1. Для жидких диэлектриков зна­ чения диэлектрической проницаемости различны: вода дистиллированная имеет в = 80, спирт этиловый —б = 25, керосин - в = 2. Значения проницае­ мости твердых диэлектрических материалов лежат в пределах г = 2...8 (полистирол -2,5; фарфор - 7, гетинакс и текстолит - 6. ..8).

Каждый тип изоляционного материала характеризуется электриче­ ской прочностью, т.е. значением напряженности электрического пробоя при заданной температуре. При температуре 20°С воздух обладает пробив­ ной напряженностью Епр= 3 МВ/м, полистирол £ пр ~ 30 МВ/м.

По л у п р о в о д н и к и нашли широкое применение в усилительных

ипреобразовательных электронных устройствах благодаря технологиче­ ским возможностям создания материалов с заданной концентрацией носи­ телей зарядов и электрического управления их потоками. У некоторых ве­ ществ (германий, кремний и др.) валентные электроны одновременно при­ надлежат соседним атомам (рис.1.5,д).

Рис. 1.5. Структуры собственного полупроводника (<а), примесных полупроводников w-типа (б) и p-типа (в)

В результате тепловых процессов в полупроводнике без примесей происходит генерация пары «электрон - дырка», т.е. электрон уходит и становится свободным (может перемещаться), а вблизи атома образуется свободное место (дырка), которую можно интерпретировать как положи­ тельный заряд.

При тепловом равновесии происходит генерация пар и их рекомби­ нация (уничтожение), причем концентрация свободных электронов и ды­ рок одинакова. Внешнее воздействие (электрическое или магнитное поле, излучение) приводит к смещению равновесия в сторону генерации или ре­ комбинации и изменению электропроводности материала.

Электропроводность можно изменить технологически добавлением в кристаллическую решетку основного материала (кремния) атомов приме­ сей, например пятивалентного фосфора (рисЛ .5,6). При этом его четыре электрона вступают в ковалентную связь с атомами кремния, а пятый элек­ трон оказывается незанятым в связях (свободным). В полученном мате­ риале, называемом полупроводником электронного или и-типа, концентра­ ция электронов повышается пропорционально числу введенных атомов примеси. Введение другой примеси (трехвалентный бор) приводит к недо­ статку электронов, т.е. преобладанию свободных дырок (рисЛ .5, в). Про­ цесс добавления в собственный полупроводник атомов другого вида назы­ вают л е г и р о в а н и е м , а полученные полупроводниковые материалы - п р и м е с н ы м и . Примесный полупроводник одновременно обладает электронными и дырочными носителями заряда с существенным преобла­ данием зарядов одного типа.

М а г н и т н ы е м а т е р и а л ы применяются для изготовления магнитопроводов, концентрирующих магнитное поле. Основной характери­ стикой магнитного материала является зависимость индукции от напря­ женности магнитного поля В(Н). Различают неферромагнитные материа­ лы, обладающие линейной зависимостью Æ=|ipof/ при относительной маг­ нитной проницаемости ц = 1 и ферромагнитные материалы с нелинейной характеристикой В(Н). Неоднозначность зависимости В(Н) обусловлена затратами энергии при циклическом перемагничивании. Классификацион­ ными параметрами нелинейности (петли гистерезиса) служат: остаточная индукция Вг при Н = 0, индукция насыщения Bs при заданном значении Нтах (обычно Нтах 5 Нс ) и коэрцитивная сила Нс при В = 0. Ферромаг­ нитные материалы делят на магнитомягкие и магнитотвердые. Они имеют практически одинаковые значения Hr с отличающейся на 3 - 5 порядков остаточной индукцией Вг.

Магнитотвердые материалы, применяемые в постоянных магнитах и запоминающих элементах вычислительных устройств, в основном пред­ ставляют собой ферриты (твердые растворы, изготовленные из смеси оки­ слов железа с окислами марганца, никеля, меди и других металлов) и фер­ ролаки (смесь железокобальтового феррита с нитратом целлюлозы) или тонкие слои никель-кобальтового сплава при записи информации на под­ вижные носители.

Для изготовления сердечников в электрических аппаратах используют магнитомягкие материалы (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, магнитодиэлектрики, ферриты), обладающие “узкой” петлей с ма­ лыми значениями Нс и обеспечивающие небольшие потери энергии.

Применение в изделиях сочетаний электротехнических материалов различными свойствами позволяет создать наборы элементов с заданными параметрами и характеристиками.

1.4.Пассивные элементы электронных устройств

Вэлектронной аппаратуре используются разнообразные пассивные двухполюсники, выполняющие при преобразовании сигналов функции ем­ костей, сопротивлений, индуктивностей с заданными характеристиками. Указанные элементы производятся в виде конструктивно завершенных из­ делий весьма широкой номенклатуры, отличающиеся типом, параметрами, конструктивным исполнением. В микроэлектронной аппаратуре их приме­ нение существенно уменьшилось. Компоненты с большими номиналами продолжают широко использоваться в силовых устройствах, системах электропитания, а также в качестве внешних элементов интегральных микросхем (ИМС).

Всоответствии с наименованием пассивные элементы предназначе­ ны для выполнения заданных функций в оговоренных условиях эксплуата­ ции. Например, проволочный резистор характеризуется номинальным со­ противлением в заданном частотном диапазоне и определенном интервале температур. На различных этапах разработки электронных приборов ис­ пользуют модели элементов различной сложности, учитывающие, в том числе паразитные параметры, которые не предусмотрены назначением из­ делия (например, емкость и индуктивность резистора).

Резисторы, составляющие примерно 40% общего числа элементов, используемых в аппаратуре, предназначены для регулирования и перерас­ пределения электрической энергии в электронном устройстве. По типу ли­

нейного резистивного элемента различают п р о в о л о ч н ы е (выполнен­ ные с помощью провода) и н е п р о в о л о ч н ы е (изготовленные с ис­ пользованием объемных или пленочных элементов с высоким удельным сопротивлением) резисторы.

Конструкция функционально завершенного изделия состоит из ряда деталей, обеспечивающих его монтаж и работу в заданных условиях. На­ пример, в пленочном резисторе можно выделить каркас 1, резистивную пленку 2, изолирующее покрытие 3, выводы 4 (рис.1.6,я).

Рис.1.6. Конструкция пленочного резистора (а) и его эквивалентная схема (б)

Схема замещения резистора (рис. 1.6,б) наряду с сопротивлением R содержит индуктивность выводов Ls и эквивалентную емкость С, приве­ денную к внешним зажимам. В паспортные данные резистора входят: тип резистора, номинальное сопротивление и допускаемые отклонения, допус­ тимая мощность рассеивания, предельное рабочее напряжение, темпера­ турный коэффициент, размеры и допуски на них.

Конденсаторы также являются достаточно массовым элементом электронных устройств. Их конструкции, область применения и основные параметры зависят от технологии изготовления изделия и материала ис­ пользуемого диэлектрика (воздушные, бумажные, слюдяные, керамиче­ ские, фторопластовые, электролитические). Например, в конденсаторе ти­ па БМ-1 (рис. 1.7,я) использовали тонкую (А = 6 мкм) бумажную ленту и обкладки из проводящей фольги, свернутые в длинный рулон для получе­ ния большой площади обкладок.

бумага

фольга

а)

Рис. 1.7. Конструкции бумажного (а ) и керамического (б) конденсаторов; их схема замещения (в)

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика используют керамику с большим значением диэлектрической проницаемости; обклад­ ки наносят в виде проводящих покрытий на изоляционном основании (рис. 1.7,6). Эквивалентная схема конденсатора (рис. 1.7,в) наряду с емко­ стью С содержит сопротивление изоляции /?из, индуктивность Ls и сопро­ тивление выводов г. Основными электрическими параметрами конденса­ тора являются емкость и рабочее напряжение.

Катушки индуктивности в силу технологических трудностей изго­ товления и миниатюризации применяются в основном в высокочастотных фильтрах (без сердечника) и силовых электрических устройствах (на фер­ ромагнитных сердечниках). Конструктивное исполнение катушек индук­ тивности весьма многообразно и зависит от области использования: фер­ ритовые антенны на разомкнутых сердечниках (рис. 1.8,о); дроссели на кольцевых ферромагнитных магнитопроводах (рис. 1.8,6), малогабаритные антенны, выполненные по технологии печатного монтажа (рис. 1.8,в).

Рис. 1.8. Катушки индуктивности с разомкнутым (о), замкнутым (6) сердечниками, без сердечника на печатной плате (в) и эквивалентная схема (г)

Эквивалентная схема катушки содержит индуктивность L и сопро­ тивление обмотки г, а также эквивалентную емкость С (рис.1.8,г).

Трансформатор предназначен для преобразования уровней подводи­ мых переменных напряжений (токов) и представляет собой обмотки (ка­