КомптАЩютерна електронiка

МРЖНРЖСТЕРСТВО ОСВРЖТИ РЖ НАУКИ УКРАРЗНИ

ЧЕРНРЖВЕЦЬКИЙ НАЦРЖОНАЛЬНИЙ УНРЖВЕРСИТЕТ

РЖМЕНРЖ ЮРРЖЯ ФЕДЬКОВИЧА

Факультет комптАЩютерних наук

Кафедра комптАЩютерних систем та мереж

Курсова робота

КомптАЩютерна електронiка

Вступ. Етапи розвитку електронiки

Класифiкацiя електронних пристроiв

Електронiка тАУ галузь науки, яка займаiться дослiдженням фiзичних процесiв, що вiдбуваються в рiзних середовищах при протiканнi струму, i, як галузь технiки, займаiться розробкою електронних приладiв на основi цих явищ. Розрiзняють фiзичну i технiчну електронiку.

На основi застосувань електронiки розвилась галузь: мiкроелектронiка тАУ галузь, яка займаiться технiчними проблемами реалiзацii електронних приладiв у виглядi iнтегральних мiкросхем, - пристроiв, що складаються з окремих дискретних елементiв (дiодiв, транзисторiв) виготовлених в одному технологiчному циклi i розмiщуються на спiльнiй несучiй конструкцii в спiльному корпусi.

Електронiку подiляють на аналогову i цифрову.

Пiд аналоговою розумiють елементи, пристроi i системи, якi забезпечують обробку електричних сигналiв, що змiнюються за законами неперервноi функцii, тобто в рiзнi моменти часу можуть приймати довiльнi значення напруги чи струму.

В цифровiй елементи займаються обробкою сигналiв, що змiнюються дискретно. Щоб забезпечити дискретну змiну сигналу використовують методи квантування сигналiв за часом, за рiвнем або одночасно.

В залежностi вiд елементноi бази, яка використовуiться в електронних пристроях, можна видiлити кiлька етапiв розвитку електронiки:

1. 1904 тАУ 1950 рр.: електронно-вакуумнi лампи. Використовуються електровакуумнi та газорозряднi пристроi.

2. 1950 тАУ 1960 рр.: застосування дискретних напiвпровiдникових приладiв. 1947р. тАУ транзисторний ефект у напiвпровiдникових кристалах.

3. 1960 тАУ 1980 рр.: застосування iнтегральних схем i мiкрозборок. В 60х роках тАУ 2 принципи виготовлення технiчних пристроiв:

В· Груповий метод;

В· Планарна технологiя.

Рiвень iнтеграцii k=lg N визначаiться кiлькiстю елементiв, що розмiщенi на одному кристалi.

4. 1980 тАУ 2005 рр.: розробка i застосування великих i надвеликих iнтегральних схем (ВРЖС, НВРЖС, ННВРЖС). Цi великi схеми, що утримують бiльше 1000 елементiв на 1 кристал вiдносять до 4 i 5 рiвня iнтеграцii.

5. сучасний етап розвитку характеризуiться застосуванням функцiональних електронних пристроiв. Функцiональними називають пристроi, в яких для перетворення електронних сигналiв використовують не електроннi пристроi, а певнi фiзичнi явища, що забезпечують обробку фiзичних чи iнформацiйних сигналiв. Розрiзняють магнiтоелектричнi, оптоелектричнi, акустоелектричнi, крiоелектричнi, бiоелектричнi та iншi функцiональнi схеми.

Сучасний розвиток електронiки зумовлений досягненням в технологii, таким як молекулярно-променева технологiя та дослiдження наноструктурованих обтАЩiктiв в тому числi спiнових ефектiв, тому сучаснi прилади називаються наноелектричними.

Цi методи дозволяють створювати електроннi елементи iнтегральних схем за 0.13 тАУ 0.11 мiкронною технологiiю.

Електроннi пристроi для цифровоi електронiки повиннi працювати з дискретними сигналами, якi можна одержати кiлькома методами квантування: по часу, рiвню, по часу i рiвню. За функцiональними ознаками iх подiляють на iмпульснi, релейнi та цифровi.

Для характеристики iмпульсних сигналiв використовують наступнi параметри: амплiтуда iмпульсу Um, тривалiсть iмпульсу ti, тривалiсть паузи tп, тривалiсть фронту iмпульсу tф, тривалiсть спаду tсп, перiод iмпульсу T= ti + tп, коефiцiiнт заповнення iмпульсу , шпаруватiсть iмпульсу .

Сигнали, в яких q = 2, називають меандром.

За реальнi значення ti вибирають вiдстань вiд значення 0.1Um до меншого значення за величину 0.1Um.

Фронт iмпульсу тАУ час, за який досягаiться значення вiд 0.1Um до 0.9Um, спад iмпульсу тАУ час вiд 0.9Um до 0.1Um.

Крiм iмпульсного видiляють також функцii релейного типу та цифрового. Крiм того процес перетворення аналогового сигналу в дискретний називають ще модуляцiiю i можна його описати з допомогою сигналiв амплiтудно-, широтно- та фазо-iмпульсноi модуляцii.

При амплiтудно-iмпульснiй модуляцii дискретизацiю сигналу проводять по часу. Реальнiй величинi ставлять у вiдповiднiсть певне значення амплiтуди сигналу, яке вiн приймаi в моменти квантування.

При широтно-iмпульсному сигналi амплiтуда залишаiться сталою, а змiнюiться тiльки тривалiсть вiдповiдного квантуючого iмпульсу.

ФРЖМ тАУ модуляцiя релейного типу. Частота появи сигналiв змiнюiться i залежить вiд амплiтуди.

Цi методи перетворення аналогових сигналiв у дискретнi використовуються для цифровоi обробки та аналiзу iнформацiйних повiдомлень i забезпечуються з допомогою пристроiв, що називаються аналого-цифровими перетворювачами.

Перевагою аналогового представлення сигналу i вища швидкодiя i вища точнiсть вiдтворення iнформацii. Разом з тим цифровi пристроi, володiючи меншою швидкодiiю, дозволяють пiдвищити точнiсть обробки сигналiв за рахунок тактовоi частоти та збiльшення об'iмiв запам'ятовуючих пристроiв, що дозволяють органiзовувати паралельну обробку iнформацii.

Обидвi системи базуються на однаковiй елементнiй базi, тобто напiвпровiдникових приладах та iнтегральних схемах. Вiдрiзняються режимами ввiмкнення i роботи цих пристроiв.

Напiвпровiдниковi прилади виготовляються на основi напiвпровiдникiв рiзного типу провiдностi. Основою всiх приладiв i контакти матерiалiв n- та p-типу провiдностi або контакти метал-напiвпровiдник, що володiють одностороннiми провiдностями.

Принцип формування активних структур можна пояснити з допомогою зонних дiаграм. Як вiдомо зонна структура утворюiться внаслiдок розщеплення валентних рiвнiв та рiвнiв провiдностi при конденсацii атомiв i утвореннi конденсованих середовищ або твердих тiл.

На шкалi енергiй за рiвень валентноi зони приймають найвище значення енергii, якою володii електрон, що взаiмодii зi своiм ядром атома i приймаi участь в утвореннi зв'язку.

Зона провiдностi знизу обмежена рiвнем енергii, мiнiмальне значення якоi необхiдне носiю заряду, щоб подолати сили потенцiальноi взаiмодii з ядром атома. Процес набування носiiм заряду енергii, достатньоi для переходу з валентного на рiвень провiдностi, називаiться генерацiiю електронно-дiрковоi пари. При цьому умовно вважають, що на найвищих валентних рiвнях утворюiться вакансiя в хiмiчному зв'язку, що може забезпечити протiкання струму додатно заряджених носiiв, а на рiвнi провiдностi тАУ вiльних електронiв.

Середнi значення енергii, що вiдповiдаi цьому процесу генерацii, називаiться рiвнем Фермi, який розмiщуiться посерединi забороненоi зони Eg у власному напiвпровiднику. Наявнiсть в основному матерiалi (Si, Ge) домiшок називають процесом легування, а напiвпровiдник тАУ домiшковим. Внесення атомiв з V групи супроводжуiться збiльшенням носiiв у зонi провiдностi i зсувом рiвня Фермi вище середини забороненоi зони. Такi напiвпровiдники називають матерiалами n-типу. При наявностi акцепторiв одержуiмо матерiали р-типу i зсув рiвня Фермi до валентноi зони. Сильно легованi матерiали, в яких рiвень Фермi змiщений, називаються виродженими.

Основою напiвпровiдникових дiодiв i р-n переходи та контакти метал-напiвпровiдник. В свiтлочутливих приладах тАУ гетеропереходи, складаються з матерiалiв одного типу провiдностi, але рiзного рiвня легування.

Електронним р-n переходом називають границю роздiлу двох напiвпровiдникiв рiзного типу провiдностi збiднену основними носiями заряду.

При формуваннi електронного переходу внаслiдок наявностi незаповнених хiмiчних зв'язкiв в матерiалах р-типу i надлишку носiiв, незв'язаних у хiмiчних зв'язках в n-типi, електрони з n-областi дифундують в р-область, заповнюючи ковалентнi зв'язки. В приконтактних областях утворюються нескомпенсованi об'iмнi заряди, маi мiсце внутрiшнi електричне поле. Це поле протидiятиме протiканню носiiв через границю роздiлу в наступний момент часу, i воно формуi контактну рiзницю потенцiалiв.

На зоннiй дiаграмi спостерiгаiться перепад потенцiалу n та р областей. Прикладання зовнiшньоi напруги приводить до порушення рiвноважного стану i зменшення контактноi рiзницi потенцiалiв, якщо зовнiшнi поле протидii внутрiшньому (до р++, до n--), i збiльшення контактноi рiзницi потенцiалiв, якщо зовнiшнi поле спiв напрямлене з внутрiшнiм.

Струм через р-n перехiд описуiться спiввiдношенням:

,

де IS тАУ струм тепловоi генерацii носiiв. Це незначний фоновий струм високоенергетичних носiiв, який маi мiсце при додатнiй та при вiд'iмнiй напрузi прикладенiй до переходу.

Його називають струмом насичення зворотноi вiтки ВАХ. Це видно з ВАХ, коли U<0, то е<<1, тобто I = IS.

При U>0, e>>1, струм зростаi за логарифмiчним законом.

При значних зворотних напругах можливе тонелювання носiiв iз зони провiдностi у валентну зону р-кристалу. Це явище називають пробоiм. Воно супроводжуiться значним зростанням зворотного струму.

Якщо зворотнi струми i достатньо великими i призводять до видiлення енергii, що супроводжуiться змiною кристалiчноi структури ОПЗ, то пробiй називаiться тепловим i i незворотнiм.

У випадку значноi концентрацii легованих домiшок та наявностi дефектiв можливий пробiй, що супроводжуiться лавинним помноженням носiiв в ОПЗ. Вiн i зворотнiм i використовуiться в роботi стабiлiтронiв тАУ пристроiв для стабiлiзацii напруги.

При наявностi дефектiв можливий польовий або зiнеровський пробiй, ВАХ якого маi вигляд ламаноi лiнii.

Тунельнi дiоди тАУ пристроi, створенi на основi вироджених або тунельних напiвпровiдникiв.

ВАХ тунельного дiоду маi N- подiбний вигляд при накладаннi тунельноi складовоi i надбар'iрноi складовоi. Це явище називають тунельним ефектом, воно маi мiсце при прямих напругах. Аналогiчний ефект тунелювання при зворотних напругах називаiться тунельним пробоiм.

Роздiлений заряд в ОПЗ переходу можна розглядати як конденсаторну систему. При прикладаннi зовнiшньоi зворотноi напруги до р-n переходу змiнюiться глибина проникання поля ОПЗ, тобто товщина ОПЗ. Це приводить до змiни бар'iрноi iмностi Сб. такi прилади, де використовуiться змiна Сб, називаються варiкапами. Вони використовуються в колах резонансного типу для коректування резонансноi частоти.

Бiполярними транзисторами називаються електроннi прилади, що складаються з двох взаiмодiючих р-n переходiв.

Конструктивно iх виготовляють в дискретному виглядi на основi кристалу n або р типу провiдностi, до якого з однiii сторони вплавляють емiтерну область з пiдвищеним рiвнем легування, а з iншоi тАУ колекторну, бiльшу за площею за кристал i з меншим рiвнем легування. В планарному варiантi всi областi виготовляють шляхом дифузiйного легування з послiдовною перекомпенсацiiю типу провiдностi.

Обов'язковою умовою працездатностi транзистора i мала ширина базовоi областi порiвняно з довжиною вiльного пробiгу носiiв заряду, який iнжектуiться з емiтера в базу.

Умовне позначення транзистора на схемi вiдображаi його структуру:

Основою роботи бiполярного транзистора i взаiмодiя областей просторового заряду емiтера та колектора при протiканнi струму. Емiтер ний перехiд вмикаiться в прямому напрямку, колекторний тАУ у зворотному. При накладаннi прямоi напруги мiж емiтером i базою зростаi кiлькiсть основних носiiв, що iнжектуються в базову область i рекомбiнують там з основними носiями бази. Вони створюють струм базового електроду i бази.

Оскiльки концентрацiя носiiв в областi емiтера бiльша, то струм бази виходить на насичення. Надлишок iнжектованих носiiв, маючи довжину вiльного пробiгу бiльшу за ширину бази, попадають в ОПЗ зворотно змiщеного колектора i екстрагуються в колекторну область. Тут вони взаiмодiють з просторовим зарядом колекторного переходу, що приводить до зменшення потенцiального бар'iру мiж колектором та базою, а вiдповiдно до зростання колекторного струму.

Зменшення напруги емiтер-база приводить до зворотних процесiв.

Для транзистора справджуiться спiввiдношення:

РЖе = РЖб + РЖк, РЖб<<РЖкIк.

Схеми ввiмкнення бiполярних транзисторiв

Оскiльки транзистор, маючи три виводи, може бути ввiмкнений як чотириполюсник, то один з електродiв маi бути спiльним для вхiдного i вихiдного кола.

Розрiзняють схеми ввiмкнення iз загальним емiтером, загальною базою i загальним колектором.

Схема iз загальним емiтером забезпечуi пiдсилення сигналiв за струмом, напругою i потужнiстю. Така схема маi вхiдний опiр бiля 100 Ом, а вихiдний тАУ близько 1 кОм.

Схема iз загальною базою пiдсилюi за напругою i потужнiстю i не пiдсилюi за струмом.

Вхiдний опiр тАУ ~ 10 Ом.

Вихiдний опiр тАУ ~ 10 кОм.

Схема iз загальним колектором ще називаiться емiтерним повторювачем. Така схема i аналогiчною до схеми iз загальним емiтером, але навантаження вмикаiться не в колекторне, а в емiтерне поле. Схема пiдсилюi за струмом i потужнiстю.

Вхiдний опiр тАУ ~ 10 кОм.

Вихiдний опiр тАУ ~ 1 Ом.

Для функцiонування транзисторiв i розрахункiв режимiв iх роботи використовують сiмейства статичних вхiдних i вихiдних характеристик.

Оскiльки у вхiдному колi вмикаiться як правило емiтер ний перехiд, то до характеристики вiдповiдноi ВАХ прямо змiщеного р-n переходу. Цi характеристики вимiрюють при рiзних значеннях напруги, прикладеноi до вихiдного кола.

ЗЕ РЖб = f(Uбе)|Uке=const ; ЗБ РЖе = f(Uеб)|Uкб=const .

Вихiднi характеристики тАУ це залежностi вихiдного струму вiд вихiдноi напруги, при постiйному значеннi вхiдного струму.

Для трактування режимiв роботи бiполярного транзистора використовуються еквiвалентнi схеми. Основною i схема чотириполюсника, яка описуiться h-параметрами.

Н-параметри тАУ це коефiцiiнти, якi вказують на зв'язок мiж реальними параметрами транзистора та його теоретичними еквiвалентами.

h11=Uвх/Iвх тАУ вхiдний опiр транзистора;

h12 = Uвх/Uвих тАУ коефiцiiнт зворотноi передачi напруги;

h21 = Iвих/Iвх тАУ коефiцiiнт пiдсилення за струмом;

h22 = Iвих/Uвих тАУ вихiдна провiднiсть.

Чотириполюсники тАУ це пристроi, якi мають два входи i два виходи.

Спiввiдношення мiж I та U на входi чотириполюсника можна задати за допомогою системи рiвнянь. Якщо основними параметрами в системi рiвнянь виступають провiдностi, то сама система називаiться системою з у-параметрами, якщо опори тАУ то система iз z-параметрами, коли параметри комбiнованi, то використовують систему рiвнянь з h-параметрами.

Система рiвнянь для визначення h-параметрiв:

- вхiдний опiр транзистора вимiряний у режимi короткого замикання у вихiдному колi.

- режим короткого замикання.

- режим холостого ходу.

- режим холостого ходу.

Еквiвалентна схема транзистора як чотириполюсника, що описуiться системою h-параметрiв.

Малосигнальна еквiвалентна схема для транзистора, яка описуi його пiдсилювальнi властивостi в режимi пiдсилення малих змiнних сигналiв.

Вона обов'язково включаi джерело струму у вихiдному колi i паразитну бар'iрну iмнiсть колекторного переходу.

- коефiцiiнт пiдсилення транзистора у схемi iз загальною базою. a ≈ 0.99.

- коефiцiiнт пiдсилення транзистора у схемi iз загальним емiтером.

- коефiцiiнт пiдсилення транзистора у схемi iз загальним колектором.

Згiдно ДСТУ позначення транзисторiв складаються з чотирьох букв буквоцифрового коду.

РЖ група тАУ це двi букви. Перша вказуi на матерiал напiвпровiдника, К тАУ кремнiй, Г тАУ германiй. Друга буква вказуi тип транзистора, Т тАУ бiполярний, П тАУ польовий.

Третя позначка тАУ цифра, яка вказуi на частотнi властивостi та потужнiсть. 1,2,3 тАУ малопотужнi:

1 тАУ низькочастотнi з граничною частотою до 3 МГц.

2 тАУ середньоi частоти, 3-30 МГц.

3 тАУ високочастотнi, >30 МГц.

4,5,6 тАУ середньоi потужностi, 0.3-0.5 Вт.

7,8,9 тАУ потужнi транзистори, >1.5 Вт.

Наступнi двi цифри вказують на порядковий номер розробки. Остання буква вказуi на групу приладiв.

Розрiзняють 4 режими роботи бiполярного транзистора:

1. активний режим, емiтерний перехiд ввiмкнено у прямому напрямку, колекторний тАУ у зворотному. Використовуiться в аналоговiй електронiцi.

2. режим вiдсiчки вiдповiдаi стану закритого транзистора, коли у вихiдному колi не може протiкати струм. Отримуiться, коли i емiтерний, i колекторний переходи ввiмкненi у зворотному напрямку.

3. режим насичення, коли транзистор вiдкритий, обидва переходи у прямому напрямку.

4. iнверсний режим, коли емiтер ний перехiд вмикаiться у зворотному напрямку, колекторний тАУ у прямому. Застосовуiться в електронiцi iнтегрально-iнжекцiйноi логiки.

MN тАУ лiнiя статичного навантаження.

Перехiд iз режиму вiдсiчки в режим насичення називаiться ключовим режимом.

Польовi транзистори тАУ це напiвпровiдниковi прилади, пiдсилювальнi властивостi яких визначаються впливом потенцiалу, прикладеного до керуючого електроду, а саме затвору, на протiкання струму, зумовлене основними носiями заряду в каналi провiдностi мiж витоком i стоком.

За будовою розрiзняють польовi транзистори з керуючим переходом (р-n переходом або переходом метал-напiвпровiдник з бар'iром Шоткi) та транзистори з iзольованим затвором. Останнi бувають з вбудованим та iндукованим каналом провiдностi.

На вiдмiну вiд бiполярних транзисторiв регулювання струму у вихiдному колi тут забезпечуiться не величиною струму вхiдного кола, а потенцiалом, прикладеним до керуючого електроду тАУ затвору. Конструктивно польовий транзистор з керуючим переходом можна зобразити у виглядi кристалу, з протилежних кiнцiв якого забезпечено створення омiчних (невипрямлених) контактiв до витоковоi i стоковоi областей, а в середнiй областi кристалу вмонтовано керуючий р-n перехiд або випрямлений контакт метал-напiвпровiдник.

Величина струму у вихiдному колi, тобто струму стокового затвору визначаiться напругою Uсв та навантаженням i власним опором каналу провiдностi ввiмкнених послiдовно у вихiдне коло.

Прикладання запiрноi напруги Uзв призводить до розширення областi просторового заряду (ОПЗ) цього переходу (пунктир), а вiдповiдно i до звуження каналу провiдностi. Зменшення поперечного перерiзу каналу провiдностi призводить до збiльшення його опору, а вiдповiдно до зменшення стокового струму.

Кажуть, що такий транзистор може працювати тiльки в режимi збiднення каналу провiдностi основними носiями заряду.

Для опису властивостей польових транзисторiв використовують сiмейства вихiдних та перехiдних характеристик i не використовують вхiднi характеристики, що зумовлено великим вхiдним опором транзистора. Вихiднi характеристики тАУ це залежностi виду:

Оскiльки транзистор з керуючим переходом i нормально вiдкритим, тобто при нульовому потенцiалi струм стоку максимальний, то перехiд в режимi збiднення при закриваннi каналу провiдностi вiдображаi зменшення стокового струму на вихiдних характеристиках.

Передаточнi характеристики (стокозатворнi):

Тодi ця характеристика буде мати мiсце при вiд'iмних значеннях U.

При Uзв вiдсiчки канал зв'язку перекриваiться.

Для опису цих характеристик застосовуються наступнi параметри:

1. коефiцiiнт пiдсилення сигналу за напругою:

2. кривизна передаточноi характеристики тАУ це вiдношення приросту РЖс до DUзв:

3. вхiдний диференцiйний опiр каналу провiдностi: