Краткая история развития электровакуумных и полупроводниковых приборов и области их применения

Электроника-отрасль науки и техники, которая изучает:

1) физические явления в электровакуумных и полупроводниковых приборах;

2) электрические характеристики и параметры электровакуумных и полупроводниковых приборов;

3) свойства устройств и систем, основанных на применении электровакуумных и полупроводниковых приборов.

Первое из этих направлений составляет основу физической электроники, второе и третье направления – технической электроники.

Особо следует отметить одну из лидирующих в современном развитии областей электроники – микроэлектронику, являющуюся основной частью полупроводниковой электроники.

Благодаря микроэлектронике на сегодняшний день трудно найти область науки и техники, где электроника еще не нашла своего применения.

История электроники относительно коротка. Предтечей ее следует считать открытие радио нашим соотечественником А.С.Поповым в 1895г.

Интересно, что явление электромагнитных колебаний открыл Генрих Герц примерно 150 лет тому назад. Когда корреспондент газеты в интервью по поводу этого открытия спросил: «Найдет ли это открытие применение в жизни?», то Герц ответил, что в ближайшие 200 лет он не видит перспектив применения этого открытия.

Прошло 150 лет и мы не знаем области, где бы оно не применялось.

День 7 мая 1895г., когда Попов демонстрировал свой приемник на заседании Русского физико-химического общества, считается днем изобретения радио.

Первая практическая линия радиосвязи в России была построена в 1900 г. под руководством Попова между островом Гельголанд и портом Котка на расстоянии 52 км.

Вначале развитие электроники вызывалось потребностями радиосвязи.

Одним из первых значительных шагов на пути развития электроники сделал американский изобретатель Л. Де Форест, предложивший в 1906 г. первый усилительный электронный прибор – ламповый триод.

В 1920 г. русским ученым О.В. Лосевым был впервые использован полупроводниковый элемент для получения усиления и генерации электрических сигналов. Это был кристалл окиси цинка в паре со стальной пружиной («кристадин»).

Как уже говорилось, электроника в то время развивалась по линии разработки радиовещания и создания для этого вакуумных радиоламп, где русские ученые и техники добились больших успехов. Так, например, в 1923г. немецкая фирма «Телефункен» заказала в Нижегородской лаборатории 25 - кВт-ные лампы, т.к. Германия не располагала тогда своими лампами мощностью более 5 кВт.

Несмотря на успехи электровакуумной области радиотехники, примерно в это же время происходит постепенное нарастание интересов к полупроводниковой электронике в плане исследований по линии полупроводников, одно из ведущих мест занимали исследования А.Ф.Иоффе и его учеников. Из работ этого периода следует отметить статью немецкого физика В.Шоттки, разработки которого широко используются в современной полупроводниковой электронике.

Тогда же было сделано изобретение американского инженера Г.Блэка по использованию обратной связи, без которой невозможно себе представить современную электронику. Однако тогда, в 1928г., патентное ведомство США назвало это фундаментальное предложение «глупой затеей».

В 1948г. американские физики Дж. Бардин и В.Браттейн обнаружили эффект усиления тока в полупроводниковой структуре с двумя p-n – переходами. Это революционное событие в электронике привело к создание В.Шокли биполярного транзистора – основного и на сегодняшний день активного элемента полупроводниковой электроники.

В дальнейшем электроника стала развиваться очень быстрыми темпами.

В конце шестидесятых годов появляются первые изделия микроэлектроники - интегральные микросхемы, которые быстро совершенствовались и стали основными изделиями современной электроники.

Полупроводниковые приборы

Как следует из названия, полупроводниковые приборы основаны на свойствах полупроводников. Полупроводники – это вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по величине их удельного сопротивления

Рис. 1 Диаграмма удельных электрических сопротивлений некоторых проводников, полупроводников и диэлектриков

Для уяснения работы полупроводниковых приборов необходимо вспомнить физику атома.

Каждый атом по современным воззрениям представляет собой как бы миниатюрную солнечную систему и имеет ядро, состоящее из протонов, нейтронов и вращающихся вокруг ядра электронов.

Если все планеты солнечной системы движутся в одной плоскости, то у электронов орбиты располагаются в разных плоскостях. Орбиты расположены так, что могут занимать в пространстве лишь определенные места, которые носят названия оболочек K, L, M, N, O, P и Q.

Эти оболочки упрощенно можно представить себе в виде концентрических сфер, в центре которых находится ядро, радиусы этих сфер пропорциональны квадрату их номера (эти номера называются «квантовыми числами»).

K=1, L=2, M=3, N=4, O=5, P=6 и Q=7

Если радиус оболочки К принять за 1,то

Радиус оболочкиL будет в 2² = 4 раза больше радиуса оболочки К,

Радиус оболочки M будет в 3² = 9 раз больше радиуса оболочки К,

Радиус оболочки N будет в 4² = 16 раз больше радиуса оболочки К,

Радиус оболочки O будет в 5² = 25 раз больше радиуса оболочки К,

Радиус оболочки P будет в 6² = 36 раз больше радиуса оболочки К,

Радиус оболочки Q будет в 7² = 49 раз больше радиуса оболочки К,

Для примера, если взять атом углерода и увеличить его в 10¹⁴ раз, то протоны будут величиной с яблоко, электроны – величиной с футбольный мяч, оболочка K – радиусом 5 км, оболочка L – радиусом 20 км.

Рис. 2 Схема атома углерода

Согласно теории атома оболочки могут иметь следующее число электронов:

K: 1² х 2 = 2

L: 2² х 2 = 8

M: 3² х 2 = 18

N: 4² х 2 = 32

O: 5² х 2 = 50 (18)

P: 6² х 2 = 72 (32)

Q: 7² х 2 = 98 (10)

Обычно атом электрически нейтрален – количество электронов равно количеству протонов.

При ионизации атома, когда под действием внешних сил он теряет один или несколько электронов, он становится положительным ионом. Если атом приобретает избыточные электроны, он становится отрицательным ионом.

Следует заметить, что потери или приобретение электронов имеют место главным образом на внешней оболочке атома, где меньше сила притяжения ядра.

Эта оболочка и определяет химические свойства элементов, поэтому ее называют валентной. Валентным числомназывают количество недостающих до стабильного состояния электронов или же , наоборот, количество электронов, которое атом способен отдать другому атому, чтобы стать стабильным.

Например, кислород двухвалентный, а водород одновалентный

Кислород О Водород Н

При соединении атома кислорода с двумя атомами водорода получается стабильное соединение – вода.

Вода Н₂О

Чаще всего в полупроводниковой электронике используются следующие элементы

Из физики твердого тела известно, что в основном, все вещества имеют структуру в виде кристаллической решетки (за исключением аморфных, например, стекла).

Кристаллическая решетка германия может быть схематически изображена в виде плоской схемы, хотя в действительности атомы расположены не в одной плоскости, а в пространстве.

Германий и кремний принадлежат к четвертой группе Периодической системы элементов. На внешней оболочке их атомов находятся четыре валентных электрона.

В отсутствие структурных дефектов и при Т=0⁰ К четыре валентных электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют в так называемых парноэлектронных или ковалентных связях с соседними атомами. Эти связи характеризуются перекрытиями внешней электронной оболочки каждого атома с внешними электроными оболочками рядом расположенных четырех атомов кристалла. При этом каждые два электрона принадлежат двум соседним атомам, а все четыре электрона внешней оболочки атома участвуют в создании парноэлектронных связей с четырьмя соседними атомами.

При этом на внешней электронной оболочке каждого атома находятся как бы восемь электронов, а это характеризует устойчивое состояние атома.

Такое стабильное состояние имеет, например, неон, у которого на внешней оболочке L находятся 8 электронов, поэтому он и является инертным газом и не вступает в реакции с другими химическими элементами.

Если полупроводник находится не при нулевой температуре, то небольшое количество электронов вырывается с орбит, преодолевая так называемую запрещенную зону, при этом у полупроводника появляется электрическая проводимость. Поскольку у полупроводников таких свободных электронов относительно немного, поэтому и удельное сопротивление их довольно значительно.

Такая проводимость носит название собственной проводимости. Она растет с ростом температуры полупроводника, вследствие чего полупроводники плохо работают при повышенной температуре.

Чистые полупроводники применяются сравнительно редко. В основном, в активных полупроводниковых приборах применяются примесные материалы. Для этого в чистый материал вносят небольшое количество примесей других элементов.

Если в германий внести пятивалентный атом сурьмы, то образуется следующая картина.

Четыре электрона внешней оболочки сурьмы образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон остается свободным. При этом в полупроводнике образуется избыток электронов. Такой полупроводник носит название n – типа, а примесь называется «донорной».

У атома сурьмы, потерявшего электрон, появляется положительный заряд, т.е. он ионизирован положительно.

Если в чистый германий ввести примесь в виде элемента третьей группы, например, трехвалентный индий, то он образует ковалентные связи с тремя соседними атомами. Четвертая связь останется незаполненной.

Недостающий валентный электрон для заполнения связи принимается от одного из соседних атомов германия. Переход электрона приводит к образованию «дырки» в ковалентной связи соседнего атома, откуда ушел электрон, и превращению атома сурьмы в неподвижный отрицательный ион.

Такая примесь называется «акцепторной», а полупроводник носит название p – типа.

В таком полупроводнике создается определенная концентрация «дырок» и отрицательных ионов. В целом полупроводник остается электрически нейтральным.

Тот атом, из которого ушел электрон, становится «дыркой» с положительным зарядом.

При приложении напряжения питания к такому полупроводнику под действием электрического поля электроны будут последовательно заполнять места дырок, освобождая предыдущие дырки, которые будут продвигаться к отрицательному полюсу и заполняться там электронами от источника питания. Т.е. дырки как бы являются частицами с положительным зарядом.

Рассмотрим теперь p – n переход.

Представим себе, что в кристалле чистого германия в одну половину ввели донорную примесь, а в другую – акцепторную.

Образуется p – n переход толщиной порядка 0,3 мкм. Отрицательные ионы области p оттолкнут от перехода электроны области n, а положительные ионы области n оттолкнут от перехода дырки области p. Следовательно p – n переход превратился в своего рода барьер, который так и называется потенциальным барьером, т.к. в тончайшем слое полупроводника потенциал ионизированных атомов резко переходит от положительного значения к отрицательному.

Приложим напряжение источника питания к полупроводнику так, чтобы положительный полюс был соединен с областью p, а отрицательный – с областью n(это включение источника в прямом направлении). Отрицательный полюс источника питания будет отталкивать электроны области nи притягивать дырки области p, а положительный полюс – наоборот.

Электроны пересекут переход и заполнят дырки, которые положительный полюс источника подогнал к этому переходу. Возникает ток, образуемый электронами и дырками, перемещающимися в противоположном направлении. При этом источник питания будет постоянно добавлять электроны и дырки, которые рекомбинируют после прохождения перехода.

Приложим теперь напряжение источника питания в противоположном направлении (в обратном направлении).

Отрицательный полюс источника питания притянет дырки области p ближе к концу кристалла, а к другому концу кристалла (область n) положительный полюс источника притянет свободные электроны. При этом ни электроны ни дырки не будут пересекать переход, значит тока в полупроводнике не будет, а точнее говоря, будет протекать лишь чрезвычайно малый обратный ток.

Полупроводник с одним переходом представляет из себя полупроводниковый диод, который в одном направлении (прямом) пропускает ток, а в другом (обратном) – не пропускает.

Диод обозначается на схемах следующим образом.

Рассмотрим теперь устройство транзистора.

Он состоит из кристалла полупроводника с двумяp – n переходами, у которого три области – эмиттер, коллектор и база, которая тоньше, чем эмиттер и коллектор.

эмиттер база коллектор

Если подать на транзистор питание, то правый переход окажется включенным в обратном направлении, и хотя левый переход включен в прямом направлении, ток через кристалл в целом не пойдет. При перемене полярности источника питания запертым (включенном в обратном направлении) окажется левый переход.

Для того, чтобы через кристалл пошел ток, приложим в прямом направлении небольшое напряжение между эмиттером и базой.

Эмиттер база коллектор

При этом через переход эмиттер-база пойдет прямой ток. Он внесет в базу электроны из эмиттера. База в транзисторе тонкая. Вследствие этого лишь небольшого количества электронов эмиттера хватит для заполнения дырок базы и через вывод базы будет проходить небольшой ток Iб. Основное же число электронов, проникших в базу из эмиттера, под действием потенциала , приложенного к коллектору, попадет (через p – n переход база-коллектор) в коллектор и далее в источник Екэ.

Обычно между базой и эмиттером в маломощных германиевых транзисторах прикладывают напряжение порядка 0,2 В, а ток базы составляет несколько десятков микроампер.

Между коллектором и эмиттером прикладывается напряжение 5-10В и выше. Ток коллектора составляет от 0,5 мА до нескольких миллиампер.

Таким образом, усилительное свойство транзистора состоит в том, что малый ток базы вызывает большой ток коллектора.

Отношение тока коллектора к вызвавшему его току базы называется статическим коэффициентом передачи тока и колеблется в серийных маломощных транзисторах от 20 до 300.

На схемах транзисторы обозначаются следующим образом.