Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику

Как часто за мелочами не видно главного! В современной высокоразвитой электронной промышленности заняты десятки тысяч человек. Одни выращивают высокочистые полупроводниковые кристаллы, другие изготавливают на высокоточном оборудовании интегральные микросхемы, третьи разрабатывают их топологию, четвертые заняты программным обеспечением ЭВМ, есть масса занятий для пятых, шестых и т. д… Но все они вместе возводят одно величественное здание современной электроники — техники, без которой уже не может обойтись ни одна отрасль народного хозяйства.

Любое современное здание, например жилой дом, строится из весьма ограниченного набора блоков — панелей, балок, перекрытий. Расположив эти блоки в различных сочетаниях, можно построить и низкое длинное здание, и возвышающийся как башня над всем городом небоскреб. Даже при ограниченном наборе основных блоков архитекторам предоставлена широкая свобода для творчества. Так и в современной электронике из сравнительно небольшого числа основных «базовых» блоков: транзисторов, конденсаторов, резисторов и т. д. можно создать бесчисленное множество электронных устройств: радиоприемники, телевизоры, аппараты записи и воспроизведения звука, передачи данных, ЭВМ и многие-многие другие.

Этим занимаются помимо промышленности и радиолюбители. Из весьма скромного набора основных «блочков-кирпичиков», имеющихся в их распоряжении, они конструируют все, что угодно, — от электронного дверного звонка, исполняющего веселую мелодию, до сложных синтезаторов современных вокально-инструментальных ансамблей, от детской игры «Первоклассница», умеющей складывать 1 + 1 = …, до персональной ЭВМ. способной сыграть с вами партию в шахматы или рассчитать, на какой день недели придется первое апреля в 3995 году (хотя эту задачу может решить и микрокалькулятор, собранный из меньшего числа тех же блочков).

Так что же это за «блочки-кирпичики»? Чаще всего — серийные интегральные микросхемы. Некоторые из них и по форме напоминают маленький пластмассовый кирпичик с двумя гребенками выводов. Все микросхемы делят на два больших класса — аналоговые и цифровые. Названия соответствуют аналоговым и цифровым сигналам, для обработки которых предназначены эти микросхемы.

К аналоговым относятся усилители, генераторы, преобразователи сигналов, к цифровым — логические элементы, триггеры, счетчики, шифраторы и дешифраторы, регистры сдвига, устройства памяти, микропроцессоры.

Стандартный корпус интегральной микросхемы.

Сырьем для электронных «кирпичиков» может служить обычный песок. Не верите? Песок представляет собой окись кремния SiО2. А кремний является основой для производства подавляющего большинства полупроводниковых элементов электроники. Разумеется, нужны и другие материалы: пластмасса, керамика, алюминий, серебро и даже золото. Разрезать аккуратно и точно кремниевую пластинку лучше всего алмазной пилой.

Но вернемся к окиси кремния. Кремний из окиси можно восстановить химической переработкой. Чистый кремний относится к классу полупроводников. Сейчас нам предстоит решить, что такое полупроводник и чем он отличается от проводника или диэлектрика.

Электрический проводник — это вещество, оказывающее малое сопротивление протекающему через него току. Электрический ток, в свою очередь, есть направленное движение электрических зарядов. Значит, в проводнике должны быть свободные заряды, которые могут легко передвигаться в любом направлении. Все металлы — хорошие проводники. Мы уже говорили (помните киплинговскую кошку, которая «гуляла сама по себе»?) о том, что в металлах внешние электроны атомов становятся свободными, когда атомы объединяются в кристаллическую решетку. Свободные электроны образуют так называемый электронный газ, заполняющий весь объем металла. Если в проводнике течет ток, электроны перемещаются преимущественно в одном направлении. Если же тока нет, электроны все равно движутся, но это движение хаотическое, тепловое. Оно создает шум — небольшое, случайным образом изменяющееся напряжение на выводах проводника или полупроводникового элемента.

Из самого названия «полупроводник» ясно, что он еще «не дорос» до настоящего проводника и, следовательно, проводит ток гораздо хуже. Свободных электронов в полупроводнике мало, поскольку почти все электроны как бы привязаны к своим атомам. Правда, при сильном нагреве тепловое движение становится интенсивнее и некоторые из электронов отрываются от своих атомов, становясь свободными. Проводимость вещества при этом увеличивается. Вот почему полупроводниковые приборы очень боятся перегрева — проводимость может возрасти настолько, что ток в полупроводнике резко увеличится и наступит так называемый тепловой пробой. Чтобы не утомить вас, приведу лишь несколько цифр.

Удельное сопротивление вещества величина, обратная проводимости, — измеряется в омах на метр (Ом·м). Это сопротивление бруска — вещества сечением 1 м2 и длиной 1 м. Вот это брусочек! Но что поделаешь, в международной системе единиц СИ единицей длины служит метр. Ну так вот: сопротивление медного бруска составляет всего 0,017·10-6 Ом. А сопротивление бруска тех же размеров, изготовленного из такого типичного диэлектрика, как стекло, равно 5·103 Ом, т. е. на двадцать один порядок (1021) больше! Удельное сопротивление полупроводников находится где-то между этими крайними значениями. Дать конкретные величины трудно, они зависят от вида вещества, его чистоты и многих других факторов.

Чем чище полупроводник, тем ближе его свойства к свойствам диэлектрика. Но если в полупроводник введена примесь, то проводимость резко возрастает. Различают два вида примесей: акцепторные и донорные. Валентность вещества акцепторной примеси меньше, чем валентность самого полупроводника. Это значит, что во внешнем электронном слое атомов примеси меньше электронов, чем у атомов полупроводника. В этом случае примесь по отношению к электронам атомов полупроводника ведет себя как агрессор: она захватывает их. В результате в кристаллической решетке вещества появляются атомы, которым не хватает одного электрона. Заряд этих атомов положителен. Они притягивают отрицательно заряженные электроны, и при первой же возможности атом, у которого не хватает электрона, захватывает его у соседнего атома. Положительный заряд при этом перемещается к соседнему атому. Тот, в свою очередь, захватывает электрон у соседа. Таким образом, положительный заряд перемещается еще дальше. Теперь оказалось, что в толще полупроводника с акцепторной примесью «гуляет сам по себе» положительный заряд, обусловленный нехваткой одного электрона. Заряд этот очень образно называют «дыркой».

Образование примесной дырочной проводимости.

Иное дело, если в полупроводник введена донорная примесь. Валентность вещества примеси на единицу больше валентности самого полупроводника. Это значит, что во внешней электронной оболочке атомов вещества примеси на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Объединяясь в кристаллы, атомы примеси используют для валентных связей все внешние электроны, кроме одного. В образовавшемся кристалле «лишние» электроны атомов примеси оказываются без работы. «Безработные» электроны свободно перемещаются по всему кристаллу, но все рабочие места — валентные связи, заняты. Эти электроны легко устремляются по направлению даже слабого электрического поля, создавая электрический ток.

Таким образом, вводя различные примеси, мы можем получить полупроводник с дырочной проводимостью (р-типа) и с электронной проводимостью (n-типа). Сами названия р и n произошли от начальных букв английских слов positive и negative, обозначающих знак свободных зарядов (положительный или отрицательный). Чем выше концентрация примеси в полупроводнике, тем выше и его проводимость. Как только физики и инженеры научились получать полупроводники с различными типами проводимости, тут же появились и приборы, выполненные на их основе.

Образование примесной электронной проводимости.

Справедливости ради надо заметить, что за прошедшие несколько сотен лет технология выпрямления гвоздей заметно не изменилась. Этого совсем нельзя сказать о технологии выпрямления переменного тока. Прежде всего: а зачем его выпрямлять? Преимущества переменного тока очевидны: при передаче на большие расстояния напряжение можно повысить с помощью трансформатора. Ток в линии передачи при этом во столько же раз уменьшится, ведь одна и та же передаваемая мощность равна произведению тока и напряжения: Р = I·U. Значит, для передачи высокого напряжения подойдут провода меньшего сечения, уменьшатся их нагрев и потери мощности при передаче. Теперь в силовых сетях используют только переменный ток. Но во многих случаях необходим постоянный ток. Он нужен для питания электронных устройств, зарядки аккумуляторов. Тяговые двигатели постоянного тока имеют значительно лучшие характеристики. Поэтому поезда метро, трамваи и троллейбусы работают на постоянном токе. Лишь в последние годы электровозы на железных дорогах стати переводить на переменный ток, но электродвигатели на них по-прежнему работают на постоянном токе. Значит, промышленности и транспорту необходимы устройства, превращающие переменный ток в постоянный.