Полупроводниковые приборы и устройства

На базе полупроводников р- и «-типа разработано большое разнообразие полупроводниковых приборов, представляющих собой комбинацию слоев с различной проводимостью. К ним относятся: диод — полупроводниковый прибор состоящий из двух слоев с р- и ипроводимостью и с одним.

р-п переходом, триод — трехслойный с двумя р-п переходами, тиристор — четырехслойный с тремя р-п переходами и т. д.

В отличие от резисторов полупроводниковые приборы в электрических цепях ведут себя как нелинейные элементы, обладающие преимущественно односторонней проводимостью. Кроме того, полупроводниковые приборы в силу технологии изготовления обладают некоторой емкостью, которую необходимо учитывать при работе с токами высокой частоты.

Развитие полупроводниковых приборов пошло по двум направлениями. С одной стороны, произошло резкое увеличение мощности полупроводниковых приборов, используемых в «силовых» цепях, которые способны преобразовывать переменный ток в постоянный (и наоборот) до нескольких сотен ампер и десятков тысяч вольт, управлять электродвигателями и т. п. С другой стороны, резко снизилось потребление мощности полупроводниковых приборов в устройствах переработки информации — в цифровых и аналоговых вычислительных машинах. Если ранее устройства для переработки информации строились на дискретных элементах (диодах, транзисторах, резисторах, конденсаторах и др.), объединенных на одной или нескольких монтажных платах с плотностью монтажа 10−100 элементов на 1 см³, то развитие микротехнологии привело к созданию интегральных микросхем, содержащих до 10⁶ и более полупроводниковых элементов в 1 см³. Появились логические и цифровые интегральные микросхемы — основа для цифровых вычислительных машин (ЦВМ), а также микросхемы операционных усилителей — основа для аналоговых вычислительных машин (АВМ):

Рис. 6.4 иллюстрирует интеграцию электронных приборов — от единичных дискретных элементов до функционально законченных больших интегральных схем.

Единичные (дискретные) полупроводниковые элементы — в основном диоды и тиристоры широко используются в «силовых цепях» для выпрямления переменного тока (выпрямители) или для преобразования постоянного тока в переменный (инверторы). Рассеиваемые мощности на этих приборах значительны, поэтому они имеют развитую поверхность охлаждения, а в ряде случаев применяют дополнительные радиаторы или принудительную вентиляцию.

Рис. 6.4. Схема интеграции электронных приборов.

Появление интегральных микросхем, включающих десятки активных элементов, позволило перейти к функционально законченным электронным схемам — субмодулям, на основе которых стало возможно разрабатывать достаточно сложные системы переработки информации. Использование операционных усилителей в качестве инверторов, сумматоров, интеграторов и дифференциаторов привело к созданию класса аналоговых вычислительных машин (АВМ) и устройств. С другой стороны, развитие цифровых микросхем, так называемой «элементной базы ЦВМ» (триггеров, счетчиков, мультиплексоров и других логических устройств) позволило перейти к разработке широкого класса цифровых вычислительных машин (ЦВМ) общего и специализированного назначения.

Дальнейшее развитие технологии изготовления микросхем привело к созданию больших интегральных схем (БИС), которые позволили в «одном кристалле» создать очень сложные блоки ЦВМ — микропроцессоры, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), различного рода интерфейсы для связи процессора с внешними устройствами и т. п., что привело к качественному скачку в развитии ВМ — к появлению персональных ЦВМ и как дальнейшее развитие — к появлению микро-ЭВМ с питанием от батареек или аккумуляторов (note-book). Создание БИС позволило с одной стороны увеличить количество активных элементов в единице объема, а с другой стороны резко увеличить скорость выполнения элементарных операций за счет увеличения тактовой частоты, которая возможна при ослаблении влияния индуктивности в линиях передачи сигнала от одного активного элемента к другому.

Помимо ЦВМ общего назначения широкое распространение получили различного рода контроллеры — ЦВМ с жестко заданной программой, например, станции управления температурой и pH в биореакторах, система программного пуска технологического оборудования, бытовая техника и т. п. Для связи контроллеров с объектом разработаны аналогоцифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи на основе БИС.

Из всего разнообразия электронных устройств можно выделить следующие группы:

• • преобразователи вида тока — устройства преобразования переменного тока в постоянный (выпрямители) и устройства преобразования постоянного тока в переменный (инверторы);
• • преобразователи амплитуды электрического сигнала — усилители (напряжения, тока и мощности);
• • устройства преобразования вида информации — аналогоцифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• • устройства обработки информации (цифровой и аналоговой).

К последним устройствам относятся как функционально законченные интегральные микросхемы, так и вычислительные машины общего или специализированного назначения.