Задание 1 – Элементы электронных устройств

В соответствии с таблицей 1.1 кратко опишите пять типов элементов электронных устройств. Ответ должен включать:

‒ для пассивных элементов (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) и коммутационных устройств – назначение, основные параметры, классификация, условно-графические обозначения;

‒ для полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы, тиристоры, фотоприборы) – назначение, принцип работы, основные параметры, схема включения, вольтамперная характеристика, условно-графическое обозначение;

‒ для интегральных микросхем (ИМС) – определение, классификация, особенности конструкции;

‒ для приборов индикации – назначение, принцип работы, достоинства и недостатки по сравнению с другими видами индикаторов.

Таблица 1.1 – Варианты заданий «Элементы электронных устройств»

1. Коммутационными называют устройства, предназначаемые для включения, выключения и переключения различных электрических цепей, а также соединения или, наоборот, разъединения участков цепей.

Для характеристики коммутационных устройств используются следующие параметры:

- чувствительность – минимальная величина входного параметра, при котором происходит скачкообразное изменение выходного параметра (замыкание или размыкание контактов, у бесконтактных – изменение проводимости). В зависимости от вида входной величины, на которую реагируют КУ, чувствительность может оцениваться величиной тока, напряжения, мощности, механической силы, светового потока, магнитного поля и т.д.;

- время срабатывания – характеризует быстродействие устройства. Оно отсчитывается с момента подачи сигнала на вход до появления сигнала на выходе.

Время, отсчитываемое с момента прекращения действия управляющего сигнала до появления соответствующего сигнала (скачкообразного изменения) на выходе, является временем отпускания.

- максимальное значение коммутируемой мощности – произведение максимально допустимых значений напряжения и тока при данном напряжении. Если исполнительная система КУ коммутирует несколько цепей, то вводят понятие суммарной коммутируемой мощности;

- частота срабатываний (коммутаций) – число срабатываний КУ в единицу времени;

- коэффициент усиления (называемый иногда коэффициентом управления) определяется отношением мощности на выходе к мощности управления;

- входное сопротивление – определяет возможность согласования устройства с источником сигналов управления и чаще всего приводится в виде активного (например, для сопротивления обмотки электромагнитных реле) или комплексного сопротивления;

- электроизоляционные свойства КУ характеризуются сопротивлением и электрической прочностью изоляции между токоведущими цепями, а также корпусом.

Сопротивление коммутирующих элементов зависит от принципа коммутации и вида используемых элементов.

Для контактных КУ – это активное сопротивление замкнутых контактов, для полупроводниковых – внутреннее сопротивление прибора в открытом состоянии, для магнитных – индуктивное сопротивление переменному току и т.д.

Коммутационные устройства на схемах должны быть изображены в положении, принятом за начальное, при котором пусковая система контактов обесточена.

Контакты коммутационных устройств состоят из подвижных и неподвижных контакт-деталей.

Для изображения основных (базовых) функциональных признаков коммутационных устройств применяют условные графические обозначения контактов, которые допускается выполнять в зеркальном отображении:

- замыкающих:

- размыкающих:

- переключающих:

- переключающих с нейтральным положением:

2. Варикап – кремниевый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости от обратного напряжения.

Предназначен для применения в качестве управляемой емкости.

Применяется в схемах автоматической подстройки частоты, частотной модуляции, в параметрических усилителях. Условное обозначение варикапа приведено на рисунке 1.1.

Варикап в схему включается под обратное напряжение. Емкостная характеристика варикапа приведена на рисунке 1.2.

Варикапы главным образом применяются для настойки колебательных контуров.

На рисунке 1.3. показана схема включения варикапа в колебательный контур.

Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно изменить резонансную частоту контура. Добавочный резистор R1 имеет большое сопротивление.

Она включена для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно с уменьшением сопротивления потенциометра R.

Конденсатор С_Р является разделительным, он не пропускает постоянный ток. Конденсатор служит для того, чтобы сопротивление катушки L не снижало емкость варикапа

Параметры варикапа:

Статические:

С_Н – номинальная емкость, емкость между выводами при заданном обратном напряжении.

К_С – коэффициент перекрытия: отношение максимальной емкости к минимальной, при двух значениях обратного напряжения.

Q – добротность – отношение реактивного сопротивления к полному сопротивлению потерь.

Предельные:

U_MAX – максимальное значение одиночных напряжений,

P_MAX – максимально допустимая мощность.

3. Структура МДП-транзистора со встроенным каналом представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4. – структура МДП-транзистора со встроенным каналом

Между областью стока и истока создан небольшой канал с тонким слоем примеси.

Рисунок 1.5. – УГО МДП-транзистора со встроенным каналом

Принцип управления основан на изменении плотности зарядов в канале и изменении поперечного сечения канала.

При отсутствии напряжения затвор-исток, между истоком и стоком по тонкому внутреннему каналу протекает ток.

Рисунок 1.6. – статические характеристики МДП-транзистора

При отрицательном напряжении на зажимах затвор-исток дырки будут втягиваться в канал из кристалла или соседних областей. Произойдет обогащение канала основными носителями заряда. Электропроводность канала увеличится, сопротивление уменьшится. Такой режим работы транзистора называется обогащением.

При положительном напряжении на зажимах затвор-исток дырки будут выталкиваться из канала в кристалл. Произойдет обеднение канала основными носителями заряда. Электропроводность канала уменьшается, сопротивление увеличится. Такой режим работы транзистора называется обеднением.

4. Интегральная микросхема - (ИС) - это совокупность электрически связанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на единой полупроводниковой основе (подложке).

Интегральная микросхема выполняет определенные функции обработки (преобразования) информации, заданной в виде электрических сигналов: напряжений или токов. Электрические сигналы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой), дискретной и цифровой форме.

Аналоговые и дискретные сигналы обрабатываются аналоговыми или линейными микросхемами, цифровые сигналы – цифровыми микросхемами.

Существует целый класс устройств и соответственно микросхем называемых аналого-цифровыми или цифро-аналоговыми и, служащих для преобразования сигналов из одной формы в другую.

Обозначение ИМС состоит из четырех элементов: первый – цифра, означающая конструктивно-технологическое исполнение: 1,5-7- полупроводниковая НМС; 2,4, 8- ГНМС; 3- прочие; второй - две или три цифры (01 - 999), указывающие порядковый номер разработки серии ИМС; третий - две буквы, определяющие функциональное назначение; четвертый - число, обозначающие номер разработки по функциональному признаку.

Например:140УД1, 265 УСІ.

При необходимости разработчик после четвертого элемента дополняет букву (от А до Я), обозначающую отличие электрических параметров в пределах одной серии.

Например: К140УД1А.

Полупроводниковые ИМС (п/п ИМС) имеют по сравнению с пленочными ряд преимуществ:

- высокая степень интеграции (до 10 элементов на мм2);

- высокая надежность;

- меньшие геометрические размеры (объем ИМС 0,12 мм3);

- малая потребляемая мощность;

- высокая функциональная сложность.

Однако п/п ИМС имеют и ряд недостатков, предопределяющих технико-экономические показатели их производства:

- большое количество технологических операций;

- ограниченность номинальных значений параметров элементов;

- значительная температурная зависимость характеристик элементов;

- подверженность радиационному воздействию;

- высокие требования к проведению технологического процесса;

- наличие паразитных связей между элементами.

В зависимости от конструктивно-технологического исполнения п/п ИМС разделяются на биполярные ИМС, ИМС на МДП - структурах.

Основные их различия:

- биполярные ИМС способны обрабатывать сигналы большей мощности (при увеличении потребляемой мощности);

- элементы БИМС занимают большую площадь;

- для БИМС количество технологических операций на 30-50 % больше, чем для МДП ИМС;

- необходимость изоляции элементов в ИМС;

- необходимость создания широкого диапазона номиналов резисторов для формирования режимов работы транзистора в БИМС;

- высокое входное сопротивление для МДП ИМС;

- малая потребляемая мощность на элемент;

- исключение из схемотехники и конструкции МДП ИМС резисторов.

Однако для БИМС и МДП ИМС общим является применение эпитаксиально-планарной технологии, включающей базовые технологические процессы: эпитаксию, окисление, диффузию, ионную имплантацию, фотолитографию, плазмохимическое травление, металлизацию, сборку.

В п/п ИМС можно выделить следующие элементы: подложку, транзистор, диод, резистор, конденсатор, межсоединения, контактные площадки, изоляцию элементов (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – структура полупроводниковых ИМС

В качестве подложек полупроводниковых ИМС могут быть использованы полупроводниковые и диэлектрические материалы. Подложка полупроводниковых ИМС выполняет ряд определенных функций:

- в ее объеме или эпитаксиальном слое, выращенном на поверхности подложки, формируются структуры элементов ИМС;

- подложка является несущей конструкцией ИМС;

- через подложку производится отвод тепла, выделяемого в элементах ИМС, на корпуса.

Физические свойства материала подложки (или эпитаксиального слоя) во многом определяют параметры элементов ИМС. Так, увеличение ширины запрещенной зоны повышает температурный диапазон и рабочие напряжения при малых токах утечки, увеличение подвижности носителей расширяет частотный диапазон работы ИМС в области высоких частот.

5. Жидкокристаллические индикаторы относятся к пассивным индикаторам. Такие индикаторы основаны на использовании жидких кристаллов, представляющих собой органические жидкости с упорядоченным расположением молекул.

В жидких кристаллах наряду с анизотропией физических свойств и упорядоченным расположением молекул наблюдается текучесть, поверхностное натяжение и вязкость, т.е. то, что свойственно жидкостям.

Среднее удельное сопротивление жидких кристаллов зависит от примеси и составляет 10⁶‑10¹⁰ Ом·см.

Диэлектрическая проницаемость и показатель преломления зависят от ориентации молекул и являются анизотропными величинами.

Жидкие кристаллы модулируют интенсивность оптического излучения за счет изменения его амплитуды, фазы, длины волны, плоскости поляризации, направления распространения. Жидкие кристаллы прозрачны для световых лучей, но под действием электрических, магнитных или акустических полей структура их нарушается, изменяются коэффициенты отражения, поглощения и рассеяния, преломления. В результате этого жидкость становится непрозрачной.

На этих свойствах и работают жидкокристаллические индикаторы. Они имеют различные

Основными параметрами жидкокристаллических цифро-знаковых индикаторов являются:

- контраст знака по отношению к фону К – отношение разности коэффициента яркости фона и знака индикатора к коэффициенту яркости фона, выраженное в процентах;
- ток потребления I_ПОТ - среднее значение переменного тока, протекающего через сегмент при приложении к нему номинального напряжения управления рабочей частоты;
- напряжение управления Uупр – номинальное значение эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикат.;

- рабочая частота напряжения управления fраб;

- минимальное напряжение управления Uупр – минимальное значение эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикат., при котором обеспечивается заданный контраст знака по отношению к фону;

- максимально допустимое напряжение управления Uупрmax – максимальное значение эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикат., при котором обеспечивается заданная надежность индикатора при длительной работе;

- время реакции tреак – интервал времени при включении, в течение которого ток потребления увеличивается до 0,8 максимального значения;

- время релаксации tрел – интервал времени при выключении, в течение которого ток потребления снижается до 0,2 максимального значения.