Общие сведения об элементарной базе изделий ТСО

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ 1-2
Общие сведения об электротехнических материалах, используемых ТСО.
Элементная база изделий ТСО. Классификация. Назначение. Предъявляемые требования.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ 3-4
Общие сведения о полупроводниковых материалах.
Классификация полупроводниковых приборов.

Учебный вопрос №1
Общие сведения об электротехнических материалах, используемых ТСО.

По назначению материалы делят на:
конструктивные, основное назначение которых удержать, скреплять, устанавливать, передавать механические усилия и предохранять от механических, климатических и других воздействий схемные элементы;
электропроводящие - элементы электрических цепей - соединительные провода, обмотки катушек или трансформаторов и т.д., контакты реле, переключателей, разъемов, электромагнитные экраны и пр.;
магнитопроводящие - магнитопроводы трансформаторов и реле, постоянные магниты громкоговорителей и т.п.;
электроизоляционные - электрически изолирующие элементы электрических цепей между собой и от корпуса;
вспомогательные материалы - например, припой и флюсы для пайки, электроды для сварки, краски и лаки, металлы для гальванических покрытий.

Проводник - вещество, способное проводить под действием неизменного во времени электрического поля неизменный во времени электрический ток.
Основные электрические параметры проводников - удельное электрическое сопротивление и температурный коэффициент удельного электрического сопротивления.
Наиболее важными проводниками являются: серебро, медь, алюминий, дюралюминий, сталь, латунь, бронза, олово, цинк, вольфрам, электротехнический уголь, кадмий, манганин.

Магнитными материалами – считаются материалы,
магнитная проницаемость которых во много раз больше
единицы (до сотен тысяч миллионов).
Такие материалы называются
ферромагнитными.
К ним относятся железо, никель, кобальт, их
сплавы, а также ферриты.
Магнитные материалы делятся на две группы:
магнитотвердые и магнитомягкие.
К магнитотвердым материалам относятся такие, которые, будучи однажды намагниченными, сохраняют состояние намагниченности длительное время.
Магнитомягкие материалы не сохраняют состояния намагниченности после снятия намагничивающего поля.

Из магнитотвердых материалов изготовляют постоянные магниты для измерительных приборов, громкоговорителей, телефонов, поляризованных реле, стрелки компасов и другие изделия.
Магнитомягкие материалы отличаются высокой магнитной проницаемостью и предназначены для работы в перемнных магнитных полях. Они делятся на две группы: магнитомягкие низкочастотные и магнитомягкие высокочастотные материалы.
Из магнитомягких низкочастотных материалов изготавливают сердечники трансформаторов и дросселей низкой частоты, экраны постоянных магнитов, мембраны телефонов и т.д.
Магнитомягкие высокочастотные материалы изготовляют из порошка магнитного материала, тщательно перемешенного с высокочастотным диэлектриком.

Электроизоляционные материалы, или диэлектрики
разделяются на газообразные, жидкие, твердеющие и твердые;
к газообразным диэлектрикам относятся воздух, гелий, аргон, неон;
к жидким - трансформаторное масло, конденсаторное масло, касторовое масло;
к твердеющим - канифоль, поливинилхлорид, винипласт, парафин;
к твердым - бумага, фибра, гетинакс, фарфор, слюда, стекло и др.

Диэлектрики предназначены для изоляции проводящих элементов электронных конструкций.
Кроме этого, диэлектрики используются как конструкционный материал для изготовления каркасов, катушек индуктивности, плат, панелей радиоламп, деталей крепления, переключателей и др.
Различают электрические, механические, физико-химические и тепловые характеристики диэлектриков.

Учебный вопрос №2
Элементная база изделий ТСО. Классификация. Назначение. Предъявляемые требования.

Элементная база – это совокупность деталей и сборочных единиц, предназначенных для создания изделий ТСО.
Деталь – изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций.
Назначение элементной базы изделий ТСО - создание изделий ТСО, замена вышедших из строя элементов.

В состав элементной базы электронных узлов ТС АСО входит:
пассивные дискретные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы);
активные дискретные элементы (полупроводниковые, электровакуумные и газоразрядные приборы - транзисторы, диоды, электронные лампы и т. д.);
интегральные микроэлектронные элементы (ИС);
фотоэлектрические и индикаторные приборы (оптроны, лампы накаливания, фотодиоды и т. д.);
коммутационные устройства и соединители (кнопки, реле, переключатели, разъемные соединители и т. д.);
специальные высокочастотные элементы (волноводы, антенны и т.д.).
Некоторые из указанных элементов, например, пассивные, активные элементы, соединители, называют также электрорадиоэлементами (ЭРЭ).

ПАССИВНЫЕ ЭРЭ выполняют в аппаратуре различные операции над сигналами, связанные с изменением токов, напряжения, электрического заряда и магнитного поля, однако они не изменяют под воздействием сигнала своих электрических параметров, т.е. остаются "пассивными" к воздействию сигнала.
АКТИВНЫЕ ЭРЭ по физической сущности их функционирования принципиально отличаются от пассивных. При воздействии сигнала в них происходят сложные физические процессы, приводящие к изменениям их электрической проводимости или других параметров, т.е. они "активно" реагируют на воздействие сигнала.
ИС являются сложными элементами и, хотя они содержат резисторы, конденсаторы, транзисторы и диоды, ИС остаются элементами, так как являются неделимыми частями электронных узлов.

Требования к элементной базе изделий ТСО:
технические требования: чувствительность; мощность; частотный диапазон; быстродействие; метрологические свойства; допустимые искажения;
экономические требования: минимальная стоимость;
эксплуатационные требования: высокая надежность (безотказность); устойчивость к климатическим воздействиям; устойчивость к метеорологическим воздействиям; устойчивость к механическим воздействиям; минимальные массо-габаритные характеристики.

Основные составляющие элементной базы ТСО:
Резистор - это элемент, выполняющий роль проводника электрического тока с заданным электрическим сопротивлением.
Конденсатор - это элемент, обладающий заданной электрической емкостью. По своей конструкции конденсатор представляет собой систему, состоящую из двух проводников, разделенных диэлектриком.
Катушка индуктивности - это элемент, обладающий заданной индуктивностью. По своей конструкции катушка индуктивности представляет собой обмотку, состоящую из большого числа витков намотанных проводников.

Керамические и проволочные резисторы
Переменные резисторы
Подстроечные резисторы
Дроссели
Индуктивности

Конденсаторы подстроечные
Конденсаторы керамические
Конденсаторы плёночные
Конденсаторы электролитические

Трансформаторы силовые
Переключатели
Микросхемы

Учебный вопрос №3
Общие сведения о полупроводниковых материалах.

Полупроводники представляют собой вещества, которые по удельной электрической проводимости занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками.
Электропроводность - свойство вещества проводить электрический ток, удельная электрическая проводимость есть величина, характеризующая электропроводность вещества. Большинство веществ относится именно к полупроводникам. Металлы являются проводниками.
P=10(-5)-10(+8) - удельное сопротивление материала полупроводника. УС показывает, чему равно сопротивление проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения.

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений.
Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

Рассмотрим механизм электрического тока на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.
Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы
Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.
Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.
Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).
На рис. показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки.
Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз.
Основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In).
На рис. показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия
Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних связей.
Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Для полупроводниковых приборов в настоящее время применяются германий, кремний, арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP и др.
В полупроводниках существует электропроводность двух видов.
Во-первых, как и у металлов, - ЭЛЕКТРОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ, которая обусловлена перемещением ЭЛЕКТРОНОВ ПРОВОДИМОСТИ. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение (колебания) между атомами КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ.
Во-вторых, в полупроводниках существует ДЫРОЧНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ, которая не наблюдается в металлах. Она является особенностью полупроводников.

Учебный вопрос №4
Классификация полупроводниковых приборов.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.
В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны. В полупроводнике p-типа основными носителями являются дырки .
При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.

Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.
Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Полупроводниковые приборы - Электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. Служат для генерирования, усиления и преобразования (по роду тока, частоте и т. д.) электрических колебаний (полупроводниковый диод, транзистор, тиристор), преобразования сигналов одного вида в другой (оптрон, фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и др.), одних видов энергии в другие (термоэлемент, термоэлектрический генератор, солнечная батарея и др.), а также для преобразования изображений, измерения электрической и механической величины и др.
Все бесчисленное множество полупроводниковых приборов можно условно разделить на две большие группы: биполярные и униполярные.

К биполярным приборам следует отнести все те приборы, для работы которых принципиально важно наличие двух типов носителей электронов и дырок. К приборам этого типа, как правило, относят все устройства, в которых управление электронным потоком осуществляется с помощью электронно-дырочного перехода (pn - перехода). В приборах этого типа перенос энергии сигнала осуществляется поочередно электронами, дырками или теми и другими одновременно.
К униполярным приборам относятся приборы, в которых осуществляется управление потоками, состоящими преимущественно из носителей одного типа, либо электронов, либо дырок.

Полупроводниковые резисторы:
Сопротивление ППР уменьшается при возрастании напряжения больше определенного (номинального) значения.
Их назначение - защита от бросков напряжения, возникающих, например, в телефонных линиях или при коммутации индуктивной нагрузки.

Диоды. Структура активной области: "pn". Возможные применения: выпрямление переменного тока, преобразование и генерация сигналов.
Светящийся диод оптической мыши
Топологическая модель диода

Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.
Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рисунке.
На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений.

Биполярные транзисторы. Структура активной области может быть как "pnp", так и "npn". Возможные применения: это универсальные усилительные приборы, предназначенные для применения в схемах усиления, генерации и преобразования сигналов.

Транзистор структуры p–n–p.
Транзистор структуры n–p–n
Полупроводниковые приборы с двумя n–p-переходами называются транзисторами.
Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Для создания транзисторов используют германий и кремний.
Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы. Например, германиевый транзистор p–n–p-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью.
В транзисторе n–p–n-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа.
Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях разных структур стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.