Тема 4. Загальні відомості про принципи роботи і характеристики напівпровідникових приладів. Елементна база мікропроцесорної техніки

Сайт: Освітній сайт КНУБА
Курс: Комп'ютерна електроніка
Книга: Тема 4. Загальні відомості про принципи роботи і характеристики напівпровідникових приладів. Елементна база мікропроцесорної техніки
Надрукував: Гість-користувач
Дата: вівторок, 16 квітня 2024, 23:48

Опис

Тема 7. Напівпровідникові прилади.
1. Загальні відомості про напівпровідники
2. Напівпровідникові діоди
3. Стабілітрони і їх застосування

4. Принцип роботи біполярного транзистора
5. Схеми включення транзисторів
6. Характеристики транзисторів 

7. Основні параметри і характеристики інтегральних схем  

1. . Загальні відомості про напівпровідники

1. Загальні відомості про напівпровідники
Напівпровідниками називають речовини, питома провідність яких має
проміжне значення між питомими провідностями металів і діелектриків.
Напівпровідники одночасно є поганими провідниками й діелектриками.
Границя між напівпровідниками й діелектриками умовна, тому що діелектрики
при високих температурах можуть поводитися як напівпровідники, а чисті
напівпровідники при низьких температурах поводяться як діелектрики. У
металах концентрація електронів практично не залежить від температури, а в
напівпровідниках носії заряду виникають лише при підвищенні температури
або поглинанні енергії від іншого джерела.
Типовими напівпровідниками є вуглець (C), германій (Ge) і кремній
(Si). Германій - це тендітний сірувато-білий елемент, відкритий в 1886 г.
Кремній був відкритий в 1823 г. Він широко розповсюджений у земній корі у
вигляді кремнезему (двоокису кремнію), силікатів і алюмосилікатів. Двоокисом
кремнію багаті пісок, кварц, агат і кремінь. Із двоокису кремнію SiO2 хімічним
шляхом одержують чистий кремній. Кремній є найбільше широко
використовуваним напівпровідниковим матеріалом. Розглянемо докладніше
утворення електронів провідності в напівпровідниках на прикладі кремнію.
Атом кремнію має порядковий номер Z = 14 у періодичній системі Менделєєва.
Тому до складу його атома входять 14 електронів.
Однак тільки чотири з них перебувають на незаповненій зовнішній оболонці
і є слабко зв'язаними.
Ці електрони називаються валентними й обумовлюють чотири
валентності кремнію. Атоми кремнію здатні поєднувати свої валентні
електрони з іншими атомами кремнію за допомогою так званого ковалентного
зв’зку (мал. 1). При ковалентному зв'язку валентні електрони спільно
використовуються різними атомами, що приводить до утворення кристала (мал.
2). 
При відсутності домішок і температурі, близької до абсолютного нуля, усі
валентні електрони атомів у кристалі кремнію взаємно зв'язані й вільних
електронів немає, так що кремній не має провідності. 

Мал. 1. Парноелектронний (ковалентний) зв'язок
атомів кремнію

Мал. 2. Зв'язки в кристалічних решітках
кремнію
При підвищенні температури або при опроміненні збільшується енергія
електронів, що приводить до часткового порушення ковалентних зв'язків і появі
вільних електронів. Уже при кімнатній температурі під дією зовнішнього
електричного поля вільні електрони переміщаються й у кристалі виникає
електричний струм.
Електропровідність, обумовлена переміщенням вільних електронів,
називається електронною провідністю напівпровідника, або n – провідністю
(negative).
З появою вільних електронів у ковалентних зв'язках утворюється вільне
не заповнене електроном (вакантне) місце - «електронна дірка».
Через те, що дірка виникла в місці відриву електрона від атома, то в
області її утвору виникає надлишковий позитивний заряд.
При наявності дірки який-небудь із електронів сусідніх зв'язків може
зайняти місце дірки й нормальний ковалентний зв'язок у цьому місці
відновиться, але буде порушена в тому місці, звідки пішов електрон. Нову
дірку може зайняти ще який-небудь електрон і т.д. 
Під дією зовнішнього електричного поля дірки переміщаються в
напрямку сил поля, тобто протилежно переміщенню електронів.
Провідність, що виникає в результаті переміщення дірок, називається
дірковою провідністю, або р- провідністю (positive).
У кристалі чистого напівпровідника при порушенні ковалентних зв'язків
виникає однакове число вільних електронів і дірок. Одночасно із цим
відбувається зворотний процес - рекомбінація, при якій вільні електрони
заповнюють дірки, утворюючи нормальні ковалентні зв'язки.
При певній температурі число вільних електронів і дірок в одиниці об'єму
напівпровідника в середньому залишається постійним. При підвищенні
температури число вільних електронів і дірок сильно зростає й провідність
напівпровідника значно збільшується (особливо германія). (У цьому істотну
відмінність напівпровідників від металів, у яких з підвищенням температури
провідність зменшується). Електропровідність напівпровідника при
відсутності в ньому домішок називається його власною електропровідністю.
Властивості напівпровідника в сильному ступені міняються при наявності
в ньому незначної кількості домішок. Уводячи в кристал напівпровідника атоми
інших елементів, можна одержати в кристалі перевагу вільних електронів над
дірками або, навпаки, перевагу дірок над вільними електронами.
Додавання домішок у напівпровідникові матеріали називається
легуванням. При заміщенні в кристалічних ґратах атома германія атомом
п'ятивалентної речовини (миш'яку, сурми, фосфору) чотири електрони цієї
речовини утворюють заповнені зв'язки із сусідніми атомами германія, а п'ятий
електрон виявиться вільним (мал.4, а), тому така домішка збільшує
електронну провідність (n-провідність) і називається донорною. 

Мал. 4, а). Донорна домішка                 Мал. 4, б). Акцепторна домішка 

При заміщенні атома германія атомом тривалентної речовини (індій,
галій, алюміній) його електрони вступлять у ковалентний зв'язок із трьома
сусідніми атомами германія, а зв'язки із четвертим атомом германія будуть
відсутні, тому що в індію немає четвертого електрона (мал. 4, б).
Відновлення всіх ковалентних зв'язків можливо, якщо відсутній
четвертий електрон буде отриманий від найближчого атома кремнію. Але в
цьому випадку на місці електрона, що покинув атом кремнію, з'явиться дірка,
яка може бути заповнена електроном із сусіднього атома кремнію. Послідовне
заповнення вільного зв'язку еквівалентно руху дірок.
Домішки з меншим числом валентних електронів в атомі в порівнянні з
атомом даного напівпровідника викликають перевагу діркової провідності й
називаються акцепторними.
Носії заряду, що визначають вид провідності в примесном
напівпровіднику, називаються основними (дірки в р-напівпровіднику й
електрони в n-напівпровіднику), а носії заряду протилежного знака -
неосновними.


2. . Напівпровідникові діоди

2. Напівпровідникові діоди
Напівпровідниковий діод являє собою контактне з'єднання двох
напівпровідників, один з яких з електронною провідністю ( n-типу), а іншої - з
дірковою (р-типу, мал.5). 
  
Мал. 5. Утворення p n - переходу 

Внаслідок великої концентрації електронів у напівпровіднику n-типу буде
відбуватися дифузія їх з першого напівпровідника в другий. Аналогічно буде
відбуватися дифузія дірок із другого напівпровідника р-типу в перший n-типу.
У тонкому прикордонному шарі напівпровідника n-типу виникає
позитивний заряд, а в прикордонному шарі напівпровідника р-типу -
негативний заряд. Між цими шарами виникає різниця потенціалів (потенційний
бар'єр) і утворюється електричне поле напруженістю Еп, яка перешкоджає
дифузії електронів і дірок з одного напівпровідника в іншій. 
Таким чином, на границі двох напівпровідників виникає тонкий шар,
збіднений носіями зарядів (електронів і дірок), що володіє великим опором.
Цей шар називається замикаючим (рос. – «запирающим») p-n-пepeходом.
Внаслідок теплового руху в електричне поле р-n-переходу попадають
неосновні носії зарядів (електрони з р-області й дірки з n-області).
Рух неосновних носіїв зарядів під дією сил поля р-n-переходу спрямований
зустрічно дифузійному струму основних носіїв і називається дрейфовим або
тепловим струмом, що залежить у сильному ступені від температури. При
відсутності зовнішнього електричного поля дрейфовий струм урівноважується
дифузійним і сумарний струм через p-n-перехід дорівнює нулю.
З'єднавши позитивний затискач джерела живлення з металевим
електродом напівпровідника n-типу, а негативний затискач із електродом
напівпровідника р-типу, одержимо зовнішнє електричне поле Ев, спрямоване
згідно з полем p-n-переходу Еп, що підсилює його (мал. 6).
Таке поле ще більше буде перешкоджати проходженню основних носіїв
зарядів через замикаючий шар і через діод пройде малий зворотний струм Iобр,
обумовлений неосновними носіями заряду. 

Мал. 6. Включення p n - переходу у зворотному напрямку 

При зміні полярності джерела живлення (мал. 7) зовнішнє електричне
поле Ев виявиться спрямованим зустрічно полю p-n-переходу Еп і під дією
цього поля електрони й дірки почнуть рухатися назустріч один одному й число
основних носіїв заряду в перехідному шарі зросте, зменшуючи потенційний
бар'єр і опір перехідного шару.
Таким чином, у ланцюзі встановлюється прямий струм Iпр. Діод
проводить струм у прямому напрямку тільки тоді, коли величина зовнішньої
напруги (у вольтах) більше потенційного бар'єра (в електрон-вольтах). Для германиевого діода мінімальна зовнішня напруга рівна 0,3 В, а для кремнієвого
- 0,7 В. 

  

  Мал. 7. Включення p n - переходу в прямому напрямку 

Коли діод починає проводити струм, на ньому з'являється спадання
напруги, яка дорівнює потенційному бар'єру й називається прямим спаданням
напруги.
На мал. 8 показана вольт-амперна характеристика діода і його умовна
позначка. p-частина представлена стрілкою, а n-частина - рисою. Прямий струм
тече від частини p до n ( по стрілці). Частина n називається катодом, а частина p
- анодом. Для більшої наочності пряма галузі (права частина графіка) і зворотна
галузі (ліва частина графіка) характеристики зображені в різних масштабах. 
  
Мал. 8. Вольт-амперна характеристика (ВАХ) діода (а) і його умовне графічне
позначення (б)
Характеристика показує, що при невеликій прямій напрузі Uпр = 1В на
затискачах діода в його ланцюзі проходить великий струм. Коли ж до p-n
переходу прикладена зворотна напруга, струм дуже малий, швидко досягає
насичення й не змінюється до деякого граничного значення зворотної напруги,
після чого різко зростає. Це так звана напруга пробою, при якім наступає пробій р-n-переходу й він руйнується.
Таким чином, напівпровідниковий діод має однобічну провідність, тобто
є електричним вентилем.
Після формування p-n-переходу діод потрібно помістити в корпус, щоб
захистити його від впливу навколишнього середовища й механічних
ушкоджень. Корпус повинен також забезпечити можливість з'єднання діода з
ланцюгом. Вид корпуса визначається призначенням діода (мал. 9). Якщо через
діод повинен протікати великий струм, корпус повинен бути розрахований так,
щоб уберегти p-n-перехід від перегріву. 


3. . Стабілітрони і їх застосування

3. Стабілітрони і їх застосування

Для роботи при напругах, що перевищують напругу пробою діода,
призначені спеціальні діоди, які називаються стабілітронами (Zener diode).
У цьому випадку область зворотних напруг, при якій наступає пробій,
називається областю стабілізації.
Коли зворотна напруга достатня велика, щоб викликати пробій
стабілітрона, через нього тече високий зворотний струм. До настання пробою
зворотний струм невеликий, після різко зростає. Це відбувається тому, що опір
стабілітрона зменшується при збільшенні зворотної напруги.
Стабілітрони випускають із певною напругою пробою, яку називають
напругою стабілізації UC (мал. 10). Паспортна напруга пробою - зворотна
напруга при струмі стабілізації, який трохи менше максимального струму
стабілізації Imax (максимальний зворотний струм, який може текти через стабілітрон без перевищення максимально припустимої потужності, що
розсіюється, зазначеної виробником). 

Мал. 10. Вольт-амперна характеристика (ВАХ) стабілітрона (а)
і його умовне графічне позначення (б)
Корпуса стабілітронів мають таку ж форму, як і у звичайних діодів.
Малопотужні стабілітрони випускаються в корпусах зі скла або
епоксидної смоли, а потужні - у металевому корпусі із гвинтом. 
Стабілітрони використовують для стабілізації напруги.
На мал. 12 показаний типовий регулюючий ланцюг зі стабілітроном.
Стабілітрон VD з'єднаний послідовно з резистором R . Резистор обумовлює
проходження через стабілітрон робочого струму (при якім стабілітрон працює в 
режимі пробою (стабілізації)). Вхідна постійна напруга U BX повинна бути вище
напруги стабілізації UC стабілітрона. Спадання напруги на стабілітроні
дорівнює напрузі стабілізації стабілітрона: U U ВЫХ C = . Спадання напруги на
резисторі дорівнює різниці вхідної напруги й напруги стабілізації:
UR=UBX-UC

Мал. 12. Стабілізація напруги 
Вхідна напруга може збільшуватися або зменшуватися, що обумовлює
відповідне збільшення або зменшення струму через стабілітрон. Коли
стабілітрон працює при напрузі стабілізації (в області пробою), при збільшенні
вхідної напруги через нього може йти великий струм. Однак напруга на
стабілітроні залишиться колишньою. Стабілітрон виявляє протидію
збільшенню вхідної напруги, тому що при збільшенні струму його питомий
опір падає, що дозволяє вихідній напрузі на стабілітроні залишатися постійною
при змінах вхідної напруги. Зміна вхідної напруги проявляється тільки в зміні
спадання напруги на послідовно включеному резисторі. Сума спадань напруги
на цьому резисторі й стабілітроні дорівнює вхідній напрузі. Вихідна напруга
знімається зі стабілітрона й може бути збільшена або зменшена шляхом заміни
стабілітрона й включеного послідовно з ним резистора. 


4. . Принцип роботи біполярного транзистора

4. Принцип роботи біполярного транзистора
У 1948 р. Джон Бардін, Уолтер Браттейн і Вільям Шоклі в лабораторіях
фірми Bell виготовили перший працюючий транзистор.
Напевно, жодне з відкриттів сучасної фізики не вплинуло настільки
безпосередньо на життя людей, як транзистор. Завдяки своїм перевагам перед
електронною лампою транзистор зробив революцію в області
електронних засобів зв'язку й забезпечив створення й широке використання
швидкодіючих ЕОМ з великим обсягом пам'яті. 

  Транзистором називається напівпровідниковий прилад c двома p-n
переходами, призначений для посилення й генерування електричних коливань,
що представляє собою пластину кремнію або германія, яка складається із трьох
областей. Дві крайні області завжди мають однаковий тип провідності, а
середня – з протилежною провідністю.
Транзистори, у яких крайні області мають електронну провідність, а
середня - діркову провідність, називаються транзисторами n-р-n - типу (мал. 1); транзистори, у яких крайні області мають діркову, а середня - електронну
проводимість - транзисторами р-n-р - типу (мал. 2)

Мал.1. Транзистор n-p-n                                 Мал.2. Транзистор p-n-p

Фізичні процеси, що відбуваються в транзисторах двох типів, аналогічні
й відмінність між ними полягає в тому, що полярності включення джерел
живлення їх протилежні, а також у тому, що якщо в транзисторі n-p-n- типу
електричний струм створюється в основному електронами, то в транзисторі р-n
р - типу - дірками.
Суміжні області, відділені друг від друга p-n-переходами, називаються
емітером Е, базою Б і колектором К.
Емітер є областю, що випускає (емітує) носії зарядів (електронів у
транзисторі p-n-типу й дірок у транзисторі n-р-типу), колектор - область, що
збирає носії зарядів, база - середня область, основа.
В умовах роботи транзистора до лівого p-n-переходу прикладається
напруга эмиттер - база UЕ в прямому напрямку, а до правого р-n-переходу -
напруга база - колектор UК - у зворотному.

Рис. 4. Схема включення транзистора
структури n p n - -
Рис. 5. Схема включення транзистора
структури p n p - -
Під дією електричного поля більша частина носіїв зарядів з лівої області
(емітера), долаючи p-n-перехід, переходить у дуже вузьку середню область
(базу). Далі велика частина носіїв зарядів продовжує рухатися до другого
переходу й, наближаючись до нього, попадає в електричне поле, створене
зовнішнім джерелом UK.
Під впливом цього поля носії зарядів втягуються в праву область
(колектор), збільшуючи струм у ланцюзі батареї UK.
Якщо збільшити напругу UЕ, то зросте кількість носіїв зарядів,
перешедших з емітера в базу, тобто збільшиться струм емітера на деяку
величину ∆I E . При цьому також збільшиться струм колектора на величину ∆I K .
У базі незначна частина носіїв зарядів, перешедших з эмиттера,
рекомбінує з вільними носіями зарядів протилежної полярності, зменшення
яких поповнюється новими носите зарядів із зовнішнього ланцюга, що
утворюють струм бази Iб.
Таким чином, струм колектора Iк = Iэ - Iб виявиться менше струму
эмиттера, незначно відрізняючись від останнього. Відношення

при UK= const називається коефіцієнтом підсилення по струму й звичайно має
значення α = 0,9…0,995.
Через те, що лівий (емітерний) р-n-перехід перебуває під прямою
напругою, то він має малий опір. На правий же (колекторний) р-n-перехід
впливає зворотна напруга й він має великий опір. Тому напруга, що
прикладається до емітера, досить мала (десяті частки вольта), а напруга, що
подається на колектор, може бути досить великою (до декількох десятків
вольтів).
Зміна струму в ланцюзі емітера, викликана малою напругою UЕ, створює
приблизно таку ж зміну струму в ланцюзі колектора, де діє значно більша
напруга UК, у результаті чого транзистор здійснює посилення потужності.

5. . Схеми включення транзисторів

2. Схеми включення транзисторів.
При роботі транзистора як підсилювача електричних коливань вхідну
змінну напругу UBX (сигнал, що підлягає посиленню) подають послідовно із
джерелом постійної напруги зсуву Uсм між емітером і базою, а вихідна напруга
UВИХ (посилений сигнал) знімається з навантажувального резистора RН.
Можливі три схеми включення транзисторів, розглянемо їх на прикладі
транзистора структури n p n - - (мал. 6): із спільною базою СБ (а), із спільним
емітером СЕ (б) і із спільним колектором СК (в). Назва схеми показує, який 
електрод транзистора є спільним для вхідного і вихідного ланцюгів. Схеми
включення транзисторів відрізняються своїми властивостями, але принцип
посилення коливань залишається однаковим.

Мал. 6. Схеми включення транзистора структури n p n - - .
Схема із спільною базою (СБ)
У схемі із спільною базою позитивне збільшення напруги на вході ∆U BX
викликає збільшення струму эмиттера I E , що приводить до збільшення як
струму колектора Iк, так і напруги виходу ∆U ВИХ , причому ∆U ВИХ >> ∆U BX .
У схемі із СБ джерело вхідної напруги включене у ланцюг емітер - база, а
навантаження й джерело живлення - у ланцюг колектор - база.
Вхідний опір схеми із СБ малий (декілька ом або десятків ом), тому що
емітерний перехід включений у прямому напрямку. Вихідний опір схеми,
навпаки, великий (сотні кілоом), тому що колекторний перехід включений у
зворотному напрямку.
Малий вхідний опір схеми із СБ є істотним її недоліком, що обмежує
застосування її в підсилювачах. Через джерело вхідного сигналу в цій схемі
проходить увесь струм емітера, і посилення по струму не відбувається
(коефіцієнт підсилення по струму α <1). Посилення по напрузі й по потужності
в цій схемі може досягати декількох сотень.
Схема із спільним емітером (СЕ)
У схемі із спільним эмиттером СЕ джерело вхідної напруги включене у
ланцюг емітер - база, а опір навантаження RН і джерело живлення - у ланцюг
емітер - колектор, тому емітер є спільним електродом для вхідного і вихідного
ланцюгів.
Вхідний опір схеми з СЕ більше, чим у схеми із СБ, тому що вхідним
струмом у ній є струм бази, який набагато менше струму емітера й струму
колектора. Цей опір становить сотні ом. Вихідний опір схеми з СЕ великий й
може становити до ста кілоом.
Коефіцієнт підсилення по струму β у цій схемі визначається як
відношення збільшення струму колектора IК до збільшення струму бази IБ при

Коефіцієнт підсилення по напрузі КU для схеми з СЕ того ж
порядку, що й для схеми із СБ. Коефіцієнт підсилення по потужності
K K K P U I = у багато разів більше, чим у схемі із СБ.
У схемі із спільним эмиттером СЕ при посиленні вхідної напруги
відбувається поворот фази вихідної напруги на половину періоду, тобто на
180°, як це видне зі схеми: позитивні збільшення вхідної напруги викликають
негативне збільшення вихідної й навпаки.
Схема із спільним колектором (СК)
У схемі із спільним колектором СК джерело вхідної напруги включається
в ланцюг бази, а джерело живлення й опір навантаження - у ланцюг емітера.
Вхідним струмом є струм бази, а вихідним - струм емітера.

Коефіцієнт підсилення по струму для цієї схеми

Вхідний опір схеми з СК великий (десятки кілоом), а вихідний опір малий
(до 1÷2 кОм).
Коефіцієнт підсилення по напрузі схеми із спільним колектором OK - KU
= 0,9÷0,95, тобто близький до одиниці, і цю схему часто називають емітерним
повторювачем.
Схема із спільним колектором СК використовується для узгодження
окремих каскадів посилення, джерела сигналу або навантаження з
підсилювачем.

6. . Характеристика транзисторів

6. Характеристики транзисторів.
Характеристиками транзистора називаються залежності між струмами й
напругами у вхідному і вихідному ланцюгах. При різних схемах включення
транзистора вхідні й вихідні ланцюги різні, отже, і характеристики являють
собою залежності різних величин для кожної схеми включення.
Так, для схеми із спільним емітером СЕ вхідним ланцюгом є ланцюг бази
й вхідна характеристика (мал. 7) відбиває залежність струму бази від напруги
емітер - база при постійній напрузі між емітером і колектором, тобто IБ = f(UБЕ)
при UКЕ = const.
Вихідним ланцюгом для цієї схеми є ланцюг колектора й вихідною
характеристикою (мал. 8) - залежність струму колектора від напруги емітер -
колектор при незмінному струмі бази, тобто IК = f(UЕК) при IБ = const.

При малих значеннях напруги між емітером і базою (UЕБ) струм бази
росте повільно через великий опір p-n-переходу, який зі збільшенням струму
зменшується.
Зі збільшенням колекторної напруги UЕК вхідні характеристики
зміщаються вправо, тобто зі збільшенням UЕК необхідно підвищити напругу
UЕБ, для того щоб струм бази залишився незмінним. Вихідні характеристики
показують, що в робочій області напруга UЕК незначно впливає на колекторний
струм IК, тому що в основному він залежить від кількості електронів,
інжектованих у базу, тобто від струму емітера.
Транзистори в порівнянні з електронними лампами мають наступні
переваги: більшу механічну міцність і довговічність, постійну готовність до
роботи, малі габарити й масу, низьку напругу живлення й високий к.к.д.; крім
того, відсутній ланцюг розжарення й, отже, спрощена схема й немає
споживання потужності для розігріву катода.
До недоліків транзисторів належать залежність режиму роботи його від
температури навколишнього середовища, невелика вихідна потужність,
чутливість до перевантажень, розкид параметрів, внаслідок якого окремі
транзистори одного типу значно відрізняються один від одного по своїх
параметрах, велика відмінність між вхідними й вихідними опорами.

7. Основні параметри і характеристики інтегральних схем

Використання електронних пристроїв для розв'язання найскладніших задач призводить до постійного ускладнення їхніх електронних схем. Аналіз розвитку електронної техніки показує, що упродовж десяти  років складність електронних пристроїв збільшується приблизно вдесятеро. Якщо десять років тому використовували електронні пристрої з кількістю активних елементів до 107, то сьогодні є електронні пристрої з кількістю елементів близько 108. За той самий час істотно зросла швидкодія електронних пристроїв, зменшились їхні габарити, зокрема, і напівпровідникових приладів. Розміри одного активного елемента зменшились до 0,2 мкм, що дає змогу розміщувати в одній  мікросхемі 106–107 елементів. Створення но­вих електронних пристроїв з великою кількістю елементів стало можливим на базі мікроелектроніки та наноелектроніки. Це новий напрям електроніки, який охоплює проблеми створення мікромініатюрних електронних пристроїв, що відрізняються надійністю, низькою вартістю, високою швидкодією і малою споживаною потужністю. Основним конструктивно-технічним принципом мікроелектроніки є елементна інтеграція – об’єднання в одному складному мініатюрному компоненті багатьох найпростіших елементів (діодів,  транзисторів, резисторів тощо). Отриманий в результаті такого об’єднання складний мікрокомпонент називають інтегральною мікросхемою (ІМС).

Інтегральна мікросхемамікроелектронний виріб, до складу якого входить не менше ніж п’ять активних елементів (транзисторів, діодів) і пасивних елементів (резисторів, конденсаторів), які виготовляють в одному технологічному процесі. Ці елементи  електрично з’єднані між собою, вміщені в загальний корпус і є нероздільним цілим.

З погляду інтеграції основними параметрами ІМС є щільність упакування і ступінь інтеграції. Щільність упаку­вання характеризується кількістю елементів в одиниці об’єму ІМС, ступінь інтеграції – кількістю елементів, які входять до складу ІМС.  За ступенем інтеграції всі ІМС поділяють на: ІМС першого ступеня інтеграції – до 10 елементів, другого ступеня – від 10 до 100 елементів, третього ступеня – від 100 до 1000 елементів і т.д.

Інтегральні мікросхеми є основними компонентами сучасних електронних кіл.

За технологією виготовлення розрізняють напівпровідникові і гібридні ІМС.

Напівпровідникова ІМС – інтегральна мікросхема, всі елементи і міжелектродні з’єднання якої виконані в об’ємі і на поверхні напівпровідника.

Щільність упакування сучасних напівпровідникових ІМС сягає 105 елементів на 1 см3 для шостого ступеня інтеграції. Лінійні розміри окремих елементів і відстані між ними можуть бути зменшені до 1 мкм.

Аналіз тенденції розвитку мікроелектроніки показав, що складність найбільших напівпровідникових ІМС збільшується приблизно вдвічі за рік.

Гібридна ІМС  – інтегральна мікросхема, пасивні елементи якої виконані нанесенням різних плівок на поверхню діелектричної підкладки зі скла, кераміки, сіталу або сапфіру, активними ж елементами є безкорпусні напівпровідникові прилади.

Інтегральні мікросхеми характеризує висока надійність їхнього функціонування.

Щільність упакування гібридних ІМС  дещо менша – до 150 елементів на 1 см3, ступінь інтеграції – перший і другий. Гібридні ІМС перспективні для пристроїв з невеликою кількістю елементів, в яких може бути забезпечена висока точність параметрів.

Висока точність виконання плівкових елементів може бути використана під час виготовлення мікросхем за суміщеною технологією, в якій активні і частину пасивних елементів виконують в об’ємі напівпровідника, а іншу частину пасивних елементів – на його поверхні в тонкоплівковому виконанні.  Застосування двох технологій підвищує вартість таких ІМС, проте дає змогу істотно збільшити точність їхніх параметрів.

Останнім часом застосовують суміщену технологію, за якою в гібридних мікросхемах як навісні компоненти використовують безкорпусні напівпровідникові ІМС. За такою технологією виготовляють мікросхеми до шостого ступеня інтеграції для швидкодіючих ЕОМ.

Застосування мікросхем істотно збільшує надійність електронних пристроїв, тому що надійність мікросхем загалом, до складу яких входить велика кількість елементів, не поступається надійності окремих транзисторів, діодів, резисторів.

На відміну від напівпровідникових діодів і транзисторів, ІМС є не окремими елементами, а цілими функціональними вузлами, призначеними для перетворення електричних сигна­лів. Залежно від типу сигналів, які формують та перетворюють ІМС, розрізняють два класи ІМС: аналогові та цифрові.

Аналогові ІМС призначені для оброблення та перетворення аналогових сигналів і реалізують такі основні аналогові функції: підсилення, порівняння, перемноження, обмеження, частотну фільтрацію. Кожна із названих функцій є відповідною математичною операцією, яку здійснюють ІМС над аналоговими сигналами:

– функція підсилення – це збільшення миттєвих значень сигналу в К разів без  нелінійних спотворень у необмеженій смузі частот;

– функція порівняння – це  зіставлення двох аналогових сигналів з деякою заданою точністю;

– функція перемноження дає змогу отримати результат перемноження двох аналогових сигналів;

– функція обмеження встановлює межі допустимих змін миттєвих значень сигналу, які він не може перейти. Розрізняють обмеження зверху, знизу та двостороннє обмеження;

– функція частотної фільтрації – це виділення потрібного діапазону частот із повного спектра сигналу, в якому здійснюється передавання його гармонік.

Перелічені основні аналогові функції утворюють у сукупності повний набір операцій, необхідних для перетворення та оброблення аналогових сигналів. Аналогові ІМС виготовляють переважно у вигляді напівпровідникових ІМС та великих інтегральних мікросхем (ВІС).

Цифрові ІМС призначені для оброблення та перетворення цифрових сигналів і реалізують логічні та арифметичні  операції та операції запам’ятовування цифрової інформації. При цьому звичайно використовують двійкову систему числення. Двійкова система порівняно з іншими системами дає змогу найпростіше реалізувати арифметичні дії.

Основою будови цифрових ІМС є так звані логічні елементи, тобто електронні схеми, які виконують найпростіші логічні операції, до яких належать:

– операція логічного заперечення (інверсія) – функція “НЕ”;

– операція логічного додавання (диз’юнкція) – функція “АБО”;

– операція логічного множення (кон’юнкція) – функція “І”.

Ці елементарні логічні функції утворюють так званий основний логічний базис. З їхньою допомогою можна реалізувати будь-яку складну логічну функцію. Інтегральні логічні елементи становлять основу  складніших мікросхем та цифрових пристроїв і систем. Найпоширенішими є цифрові ІМС на біполярних та МДН-транзисторах.


7.1. Номенклатура інтегральних мікросхем

Під номенклатурою ІМС розуміють перелік різновидів мікросхем, які відрізняються за функціональним призначенням, параметрами, конструктивно-технологічними характеристиками.

 


7.2. Номенклатура аналогових ІМС

Найважливішими типами аналогових ІМС є такі: підсилювачі, компаратори, стабілізатори, генератори, змішувачі, ЦАП, АЦП

Основу номенклатури аналогових мікросхем утворюють ІМС, які реалізують основні та спеціальні аналогові функції. Залежно від реалізованої ана­логової функції розрізняють такі основні типи аналогових ІМС: багатоцільові підсилювачі, операційні підсилювачі, компаратори напруги, обмежувачі, перемножувачі, активні та пасивні фільтри, аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі, стабілізатори напруги, комутатори і ключі, формувачі, генератори, детектори, модулятори, змішувачі тощо.

Багатоцільові підсилювачі призначені для підсилення  сигналів у широкому діапазоні частот. До них належать підсилювачі низьких, проміжних та високих частот, а також ши­рокосмугові підсилювачі і підсилювачі постійного струму.

Окрему підгрупу становлять операційні підсилювачінайпоширеніший тип підсилювача широкого застосування, який реалізує функцію підсилення і виконує роль базового універсального елемента для побудови аналогових функціональних вузлів різноманітного призначення. Типовий операційний підсилювач характеризується високим коефіцієнтом підсилення (десятки – сотні тисяч), високим вхідним опором (сотні кОм – десятки мОм), низьким вихідним опором (сотні Ом – одиниці кОм).

Компаратори напруги реалізують функцію порівняння двох сигналів і в момент їхньої рівності стрибком змінюють вихідну напругу.

Обмежувачі реалізують функцію обмеження і призначені для зміни форми сигналів.

Перемножувачі  реалізують функцію перемноження двох аналогових сигналів. Їх застосовують під час здійснення таких перетворень сигналів, як модуляція, помноження, ділення та перетворення частоти коливань, детектування, генерування коливань.

Фільтри реалізують функції частотної вибірності (селекції). Їх випускають серійно у вигляді активних RC-фільтрів на основі операційних підсилювачів, а також у вигляді пристроїв на основі поверхневих акустичних хвиль та приладів із зарядовим зв’язком.

Аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП) призначені для перетворення відповідно аналогових сигналів у цифровий код і цифрової інформації на аналогові сигнали. Їхнє застосування забезпечує цифрове оброблення аналогових сигналів і подальше перетворення результатів оброблення в аналогову форму.

Стабілізатори напруги призначені для підтримання сталої напруги жив­лення електронних вузлів, блоків, пристроїв.

Аналогові комутатори і ключі застосовують для перемикання і перерозподілу у часі інформації.

Формувачі сигналів, генератори, детектори, модулятори, змішувачі належать також до аналогових ІМС. Оскільки кількість таких схем велика, а їхня стандартизація ускладнена, то під час їхнього виготовлення використовують різні типи операційних підсилювачів з додатковими зовнішніми підсхемами.

На закінчення зауважимо, що різноманітність функцій, які реалізують аналогові ІМС, не дає змогу характеризувати їх сукупністю параметрів, єдиних для усіх типів мікросхем. Кожну групу аналогових ІМС характеризують певними параметрами, притаманними лише однотипним мікросхемам. Ці питання є предметом вивчення спеціальних дисциплін.


7.3. Номенклатура та основні параметри цифрових ІМС

Найзагальніша класифікація цифрових ІМС ґрунтується на поданні цифрових схем як цифрових автоматів.

На підставі такого підходу цифрові ІМС поділяють на дві групи:

а) комбінаційні схеми (цифрові автомати без пам’яті), особливість яких полягає у тому, що їхні вихідні сигнали у будь-який момент часу залежать лише від комбінації вхідних сигналів у той самий момент. До комбінаційних схем належать суматори, комутатори (мультиплексори і демультиплексори), перетворювачі кодів (шифратори і дешифратори), компаратори, програмовані логічні матриці, арифметико-логічні блоки тощо.

Основними групами цифрових ІМС є комбінаційні схеми, запам’ятовувальні пристрої, послідовнісні схеми

б) послідовнісні схеми (цифрові автомати з пам'яттю), до складу яких входять елементи пам’яті – запам’ятовувальні комірки. Внаслідок цього вихідні сигнали послідовнісних схем залежать не тільки від комбінації вхідних сигналів, але і від стану елементів пам’яті. До послідовнісних схем належать регістри, лічильники, генератори чисел тощо, також мікропроцесори – програмно керовані великі інтегральні схеми (ВІС), які реалізують арифметичні та логічні операції над цифровими сигналами. Програмування мікропроцесорів здійснюють подан­ням зовнішніх сигналів, комбінація яких утворює певну команду для мікропроцесора, забезпечуючи виконання тієї чи іншої операції.

Окрему групу цифрових ІМС утворюють запам’ятовувальні пристрої, які призначені для зберігання інформації і реалізують операції запису, запам’ятовування та зчитування цифрових сигналів.

На відміну від аналогових, цифрові ІМС характеризують набором основних параметрів, однакових для усіх мікросхем, що дає змогу порівнювати між собою мікросхеми різних типів.

До основних параметрів належать: логічна функція, яку реалізує мікросхема; навантажувальна здатність (коефіцієнт розгалуження на виході n та коефіцієнт об’єднання на вході m); середній час затримки передавання сигналу tз.ср; статична завадостійкість Uз; споживана потужність Рср; гранична робоча частота fгр.

Перелічені параметри взаємопов’язані функціональними залежностями, специфічними для схем різних типів. Для усіх типів мікросхем характерно те, що покращання одного з пара­метрів призводить до погіршення інших параметрів.

Навантажувальна здатність характеризує максимальну кількість однотипних мікросхем, які можна з’єднувати між со­бою. Коефіцієнтом розгалуження на виході називають кількість n однотипних мікросхем, які можна під’єднати до виходу такої самої мікросхеми без спотворення інформації, яку передають. Коефіцієнтом об’єднання на вході називають кількість m виходів однотипних мікросхем, які можна під’єднати до входу мікросхеми без спотворення інформації.

Середній час затримки сигналу tз.ср характеризує швид­кодію цифрових ІМС і визначає середній час проходження сиг­налу через одну мікросхему.

Статична завадостійкість Uз характеризує максимальне значення напруги зовнішньої статичної завади, яка діє на мікросхему і не призводить до порушення нормального її функ­ціонування.

Потужність, яку споживає мікросхема від джерел жив­лення, не є сталою у будь-який момент часу, а залежить від логічного стану і типу логічних елементів й змінюється у разі перемикання схеми. Тому як основний параметр використо­вують не миттєве, а середнє значення потужності, яку спо­живає мікросхема упродовж достатньо великого часу: Рср = (Р01)/2, де Р0 і Р1 – потужності, споживані схемою відповідно у стані логічного  нуля та логічної одиниці. Якщо потужність, споживана під час перемикань мікросхеми, більша від потужності, споживаної у статичних станах, мікросхеми додатково характеризують потужністю, споживаною за максимальної частоти перемикання. Зауважимо, що чим більшу потужність споживає мікросхема, тим більша її швидкодія.

Конкретні значення основних параметрів цифрових ІМС залежать від їхніх конструктивно-технологічних та схемотехнічних рішень, які є предметом вивчення окремих дисциплін.