Опубликовано

Схемы на транзисторах

8.1 Транзистор в линейном режиме.

Рассмотрим три основные схемы включения транзисторов с учетом всех элементов, обеспечивающих режим по постоянному току и гальваническую развязку по переменному току . При этом ограничимся рассмотрением схем включения биполярных транзисторов: схемы включения полевых (канальных) транзисторов аналогичны схемам включения биполярных транзисторов и, если не учитывать некоторые нюансы, могут быть получены из последних «заменой электродов» — т. е. исток должен быть включен вместо эмиттера, затвор вместо базы, сток — вместо коллектора. В качестве транзисторов выберем приборы n-p-n-типа. В этом случае, как на коллектор, так и на базу следует подавать питающее напряжение положительной полярности и объяснение принципа действия схем становится проще. При этом включение транзисторов р-n-р-типа ничем, кроме полярности питающих напряжений, не отличаются от включений n-p-n-транзисторов.

Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Схема принципиальная электрическая усилителя на транзисторе, включенном с общим эмиттером (ОЭ), изображена на рис. 2.1.

Входным электродом является база (точнее, входной сигнал приложен к переходу эмиттер-база, т. е. Uвх=UбЭ=φб — φЭ, где φб и φЭ – соответственно потенциалы базы и эмиттера). Выходным электродом является коллектор, т. е. выходное напряжение Uвых равно падению

напряжения между коллектором и эмиттером Uкз: Uвых=Uкэ=φк — φэ, где φк — потенциал коллектора.

Таким образом, эмиттер является «общим электродом» и для Uвх, и для Uвых, чем и объясняется название схемы. На рис. 2.1 эмиттер заземлен и φэ=0. В большинстве случаев непосредственное соединение эмиттера с землей применяют редко, но здесь мы рассмотрим именно схему с заземленным эмиттером, так как наличие дополнительных элементов не изменяет основной принцип работы схемы с ОЭ, но сильно усложняет объяснение.

Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 будем считать в диапазоне частот сигнала короткими замыканиями, а для постоянных питающих напряжений они, естественно, представляют собой разрывы. Впоследствии вклад Ср1 и. Ср2 в характеристики схемы и их назначение будут оговорены.

Для объяснения работы схемы используем известное из физики полупроводников явление: р-n-переход при подаче на р-полупроводник положительного потенциала (относительно потенциалаn-полупроводника) открывается и через переход течет ток; причем в определенных пределах ток прямо пропорционален разности потенциалов на переходе. К базе транзистора приложено постоянное положительное напряжение, определяемое значением напряжения источника питания Е и соотношением сопротивленийRб1 иRб2(Rб1 иRб2называют базовым делителем), поэтому φбвсегда превышает φэи переход эмиттер-база открыт.

Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного

положительного напряжения (Uвх=)=Е(Rб2/(Rб1+Rб2)) поступает также переменный сигнал Uвх≈ (дня простоты примем, что Uвх≈ — гармонический сигнал), то в моменты, когда Uвх≈ имеет положительную полярность, р-n-переход открывается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда Uвх≈ имеет отрицательную полярность (но сохраняется Uвх= + Uвх≈>0), переход частично закрывается и ток уменьшается.

Ток через р-п-переход эмиттер-база называют током эмиттера Iэ. Внутри транзистора он разделяется на небольшой ток базы Iб<<Iэ и ток коллектора Iк≈Iэ. В свою очередь, ток коллектора Iк течет через сопротивление Rк и создает на нем напряжение ΔURK=IкRк. Отсюда очевидно, что потенциал коллектора

Использование силовых транзисторов Microsemi в линейном режиме (2008)

Додж Джонатан. Перевод: Некрасов Михаил

Теоретически, добиться работы в линейном режиме очень просто. Для этого достаточно подать на затвор напряжение определенной величины и следить за соблюдением требований документации, касательно области безопасной работы в прямом смещении (ОБР-П). В действительности же задача реализации силовой схемы, работающей в линейном режиме, является одной из самых непредсказуемых: многие простые решения демонстрируют такое поведение, что оно может стать кошмарным сном разработчика. В данной статье будут показаны «подводные камни» линейного режима работы и даны рекомендации и примеры реализации высоконадежных схем, работающих в линейном режиме. В описаниях в основном будет идти речь о силовых МОП-транзисторах, хотя все сказанное в равной мере может быть отнесено и к IGBT-транзисторам.

Проблемы линейного режима

Реализация силовой схемы, работающей в линейном режиме, связана с тремя фундаментальными вызовами:

1. Информация, приведенная в документации производителя, часто является неадекватной или даже некорректной по отношению к линейному режиму работы.

2. Тепловая неустойчивость ограничивает возможности силового транзистора, работающего в линейном режиме, по управлению нагрузкой относительно значений, которые следуют из паспортных максимальной рассеиваемой мощности или температуры перехода кристалла.

3. Пороговые напряжения и крутизна транзисторов с изолированным затвором (МОП и IGBT) могут существенно отличаться даже у однотипных транзисторов.

Тепловая неустойчивость и коэффициент передачи

Для управления током стока достаточно регулировать напряжение затвор-исток. Тем не менее, под влиянием некоторых различий температуры вдоль кристалла в нем возникает температурно-индуцированное изменение тока. Если температурно-зависимое изменение плотности тока окажется температурно-нестабильным (что нормально для линейного режима работы), то результатом может быть локальный разогрев и колебания тока в кристалле. Следствием разогрева может быть выход из строя, идентичный вторичному пробою биполярных транзисторов. Исходя из этого, границы действительной ОБР-П могут быть существенно меньшими, чем те, что получены только на основании тепловых сопротивлений, часто публикуемых в документации. Исключение возможности отказа является самым большим вызовом для разработки силовой схемы, работающей в линейном режиме. Таким образом, есть смысл в том, чтобы разобраться, что же вызывает выход из строя транзистора.

Работа в линейном режиме возможна в области «насыщения» передаточной характеристики (смежная с омической область), как показано на Рис. 1 .

Рис. 1. Выходные характеристики МОП-транзистора.

При работе в этой области ток стока зависит от напряжения затвор-исток VGS и от порогового напряжения VTH :

, (1)

где ,

μe — подвижность электронов,

COZ — емкость оксидного слоя затвора,

W — ширина канала,

L — длина канала.

Коэффициент передачи и значение k тем выше, чем больше ширина канала W и чем меньше его длина L. Поскольку значение μe снижается по мере роста температуры, то рост температуры также вызовет снижение k. (Емкость не зависит от температуры, но зато зависит от напряжения сток-исток). Значение VTH тоже снижается с ростом температуры. Поскольку работа прибора в линейном режиме связана с его разогревом, то снижение подвижности электронов приведет к снижению тока стока, таким образом, поддерживая тепловую устойчивость. В противоположность этому, снижение порогового напряжения приводит к возрастанию тока стока. Таким образом, отрицательный температурный коэффициент порогового напряжения является фактором тепловой неустойчивости. Данные соотношения можно выразить математически. Для этого нужно продифференцировать (1) по температуре и выполнить подстановку в зависимость рассеиваемой мощности от температуры. В итоге получаем коэффициент устойчивости S:

(2)

Чем выше значение S , тем большей тепловой неустойчивостью будет обладать транзистор. Это означает, что локальное возрастание температуры оказывает регенеративное влияние. Если же S имеет отрицательное значение, прибор будет температурно-устойчивым в линейном режиме. Обратите внимание, что значения и всегда отрицательны.

Пользуясь выражением (2) можно сформулировать факторы улучшения тепловой устойчивости (когда S имеет меньшие значения):

1. Снижение теплового сопротивления.

2. Снижение напряжения сток-исток.

3. Увеличение тока стока.

4. Снижение коэффициента передачи (а, следовательно, и k).

5. Снижение абсолютного значения температурного коэффициента порогового напряжения .

Факторы 4 и 5 полностью зависят от конструкции транзистора.

Таким образом, при его проектировании могут быть предприняты меры по улучшению тепловой устойчивости и, как следствие, и расширению области безопасной работы в линейном режиме. Таким мерам были подвергнуты серии линейных МОП-транзисторов и большинство РЧ МОП-транзисторов серий ARF компании Microsemi (ранее Advanced Power Technology).

Рис. 2. Передаточные характеристики МОП-транзистора.

На Рис. 2 показаны передаточные характеристики МОП-транзистора для трех температур. На нем наглядно демонстрируется фактор тепловой устойчивости, описанный выражением (2). Существует одна точка, в которой пересекаются все кривые. Ниже этой точки преобладает влияние порогового напряжения и, поэтому, локальные изменения тока вызывают температурную неустойчивость. Выше этой точки преобладает влияние изменения коэффициента передачи и транзистор будет температурно-устойчивым.

Механизм отказа

Поскольку пересечение передаточных характеристик происходит в точке с относительно большим током, работа в линейном режиме ниже этой точки практически всегда сопровождается тепловой неустойчивостью. Проблема состоит в том, что в более разогретых областях кристалла выше плотность тока, что еще больше усиливает нагрев.

У любого МОП- или IGBT-транзистора имеется внутренний биполярный транзистор. Его коэффициент передачи возрастает при увеличении температуры прибора, а также при увеличении напряжения сток-исток. Сопротивление базы биполярного транзистора возрастает с нарастанием температуры, и снижается напряжение база-эмиттер. Учитывая данные факторы совместно следует вывод, что с ростом температуры повышается вероятность генерации напряжения на сопротивлении базы, достаточного для включения биполярного транзистора.

Таким образом, при определенном уровне нагретости кристалла может произойти отпирание расположенного в разогретой области биполярного транзистора. Вследствие этого работа в линейном режиме становится аварийной: разогрев становится необратимым, температура стремительно возрастает вплоть до перегорания аварийного участка, вызывающего закорачивание стока с истоком, а иногда и затвора с истоком. Некоторые поврежденные приборы еще могут работать в открытом состоянии, но после запирания они смогут работать только с напряжением, которое характеризуется большим током утечки, протекающим через поврежденную область.

Рекомендации по реализации линейного режима

Первым этапом проектирования надежной силовой схемы, работающей в линейном режиме, является налаживание контакта с инженером по применениям производителя транзистора. Он может дать бесценную информацию и советы, которые не публикуются в документации.

Вторым этапом является нахождение действительной ОБР-П для выбранных приборов. К сожалению, этот этап работы нельзя выполнить с помощью инструментов моделирования, т.к. модели полупроводниковых приборов не позволяют определить, когда же происходит его повреждение. Для нахождения рабочей ОБР-П потребуется тестирование на отказ нескольких приборов. Здесь можно воспользоваться преимуществами первого этапа, т.к. эта работа уже скорее всего была выполнена. После того, как были собраны данные, при каких напряжениях и токах возникали отказы, могут быть построены кривые или составлена математическая модель. Добавив небольшой запас надежности, получим действительную ОБР-П.

Табл. 1. Данные по отказам транзистора APT200GN60J при работе в линейном режиме

VCE , В

IC , А

Р, Вт

В Табл. 1 представлена информация по рассеиваемой мощности IGBT-транзистором APT200GN60J в линейном режиме, когда при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер ток в линейном режиме возрастал вплоть до отказа транзистора. В результате в таблицу были внесены данные для нескольких напряжений коллектор-эмиттер.

Рис. 3. Измеренные и теоретические ОБР-П

Рис. 4. Рабочие ОБР-П транзистора APT200GN60J

Транзисторы были смонтированы на теплоотводе с водяным охлаждением. Измеренная температура корпуса T C во время отказа составляла около 75°C . С помощью аппроксимирующей кривой можно оценить среднюю температуру перехода, при которой возникает отказ, — это примерно 175°C . Данная температура равна паспортной максимальной температуре перехода. Важно обратить внимание, что в линейном режиме отказ может произойти при средней температуре перехода, меньшей паспортного максимального значения.

На Рис. 3 проиллюстрированы данные из Табл. 1 , а также теоретические кривые ОБР-П, построенные из условий постоянства рассеиваемой мощности при температурах T J = 175°C и T C = 75°C и 25°C . Обратите внимание, насколько меньше действительная область ОБР-П, чем те, что получены расчетным путем на основании постоянства рассеиваемой мощности и ограниченные только тепловым сопротивлением (представлены кривыми для температур T C = 25°C и 75°C ). В большинстве документации публикуются кривые ОБР-П для температуры корпуса 25°C . Если полагаться на эти данные, то окажется что при больших напряжениях ток может быть в 6 раз больше, чем на самом деле способен пропустить транзистор!

Но даже если ориентироваться на более низкий ток, соответствующий температуре корпуса 75°C , он все одно окажется намного выше тока, при котором наступает отказ прибора вследствие локального разогрева. Решить эту проблему можно только одним способом: проверить несколько транзисторов с целью найти условия, вызывающие их повреждение.

На Рис. 3 показана аппроксимирующая кривая, построенная по результатам тестирования на отказ при протекании постоянного тока (статическая ОБР-П). Затем, пользуясь данными по переходным тепловым сопротивлениям, были построены ОБР-П при импульсном протекании тока (импульсные ОБР-П). Результат показан на Рис. 4. Полученные кривые являются рабочими ОБР-П транзистора APT200GN60J. Использование температуры перехода 125°C (ниже температуры, при которой происходит повреждение транзистора) позволяет создать некоторый запас надежности. Обратите внимание, если сопоставить кривую статической ОБР-П с кривой испытания на отказ на Рис. 3, то первая кривая окажется ниже. Именно так нужно поступать при использовании транзистора в линейном режиме, принимая запас минимум в 20°C относительно средней температуры перехода, при которой наступает отказ. На Рис. 4 за максимальную рекомендованную температуру перехода принята 125°C, т.о. запас надежности составляет 50°C относительно предельной температуры. Далее рассмотрим ОБР-П МОП-транзистора APL502J, который был специально разработан для работы в линейном режиме. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J представлены на Рис. 5. По сравнению с APT200GN60J (Рис. 4) APL502J имеет более широкую ОБР-П. Границы ОБР-П находятся в противоречии с потерями проводимости. При полном включении и токе нагрузки 200А типичное значение напряжения коллектор-эмиттер APT200GN60J составляет всего лишь 1.7 В в разогретом состоянии (1.5В при комнатной температуре). Для сравнения более надежный транзистор APL502J при токе 26A и температуре 125°C характеризуется примерно в 6 раз большими потерями по сравнению с APT200GN60J.

Рис. 5. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J

Обратите внимание, что кривые ОБР-П на Рис. 4 и 5 загибаются в области повышенных напряжений (обе оси имеют логарифмический масштаб). Кривые ОБР-П, построенные на основании постоянства рассеиваемой мощности являются прямолинейными. Если в документации вы увидите прямолинейную ОБР-П для статического режима работы, будьте бдительны! Этот график скорее всего неадекватен линейному режиму.

Примеры применения транзисторов в линейном режиме

Твердотельное реле для коммутации постоянного тока

APT200GN60J прекрасно работает в составе твердотельных реле (ТТР), где обеспечивает ограничение тока заряда больших конденсаторных батарей за счет работы в линейном режиме, а затем переходит в полностью открытое состояние для минимизации потерь проводимости. Чтобы вписаться в пределы ОБР-П IGBT-транзистора необходимо существенно ограничить ток заряда емкости. Если к времени заряда нет строгих требований, то решение этой задачи не будет проблемой.

Требования

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо зарядить конденсаторную батарею 1500 мкФ с напряжения 0В до 400В. Сколько будет длиться заряд емкости, значения не имеет. Для поддержания температуры корпуса ТТР на уровне 75°C или менее может потребоваться теплоотвод.

Решение

В соответствии с графиком ОБР-П (Рис.4) ток больше всего ограничивается при максимальном прикладываемом напряжении, которое в данном случае составляет 400 В. Из данных, которые использовались для создания Рис. 4 , следует, что безопасный ток заряда конденсаторов при напряжении 400 В составляет 0.16A (примерно вдвое меньше, чем ток в точке повреждения транзистора по данным из Табл. 1 , т.о. имеется хороший запас надежности). При токе заряда 0.16A заряд конденсаторной батареи с напряжения 0 В до 400 В произойдет за 3.75 секунды. Ускорить заряд конечно же можно, если, следуя по кривой ОБР-П, увеличивать ток заряда по мере нарастания напряжения на конденсаторе (т.е. когда снижается напряжение коллектор-эмиттер). Тем не менее, поскольку нам не предъявляются требования к времени заряда, вариант заряда постоянным током ввиду простоты схемного решения является более приемлемым.

Обеспечение работы транзистора в пределах ОБР-П для статического режима является решением только половины проблемы. Также необходимо оценить пиковое значение рассеиваемой мощности и результирующее пиковое значение температуры перехода. Поскольку ток заряда непрерывно поддерживается на постоянном уровне, то напряжение коллектор-эмиттер будет линейно снижаться с 400 В до практически 0 В, т.к. напряжение на конденсаторной батареи возрастает. Следовательно, рассеиваемая мощность достигает пикового значения на уровне 64 Вт (0.16A·400В) сразу после подачи напряжения, а затем будет линейно снижаться. Изменение рассеиваемой мощности во времени имеет треугольную форму.

Рис. 6. Моделирование теплового переходного процесса

На Рис. 6 показан результат моделирования теплового переходного процесса, для чего использовалась RC-схема моделирования переходного теплового сопротивления транзистора APT200GN60J, на вход которой подавался линейно снижающийся импульс рассеваемой мощности с пиковым значением 64 Вт. Пиковое значение падения температуры между переходом и корпусом составляет около 12°C . Если температура корпуса достигнет 75°C , то средняя температура перехода должна приблизиться к 75°C + 12°C = 85°C , что существенно меньше предельно-допустимого значения 125°C.

Электронная нагрузка

Линейный МОП-транзистор APL502J хорошо работает в схемах, требующих более широкую ОБР-П, как, например, схема электронной нагрузки. В данном применении для удовлетворения требований по рассеиваемой мощности, а также по максимальному падению напряжения в открытом состоянии может потребоваться параллельное включение транзисторов.

Требования

В рассматриваемом примере наша самодельная нагрузка должна иметь рабочие диапазоны до 400Вт, 400В, 20А и перепад напряжения при полном открытии с током 20А не более 1В. С помощью теплоотвода можно добиться поддержания температуры корпуса на уровне не более 75°C .

Решение

Чтобы добиться температуры перехода менее 125°C воспользуемся кривыми ОБР-П, представленные на Рис. 5 . Вначале проверим, выполняется ли требование к полностью открытому состоянию. При комнатной температуре (и токе 26А) максимальное значение R DS(on) транзистора APL502J составляет 0.090 Ом. При температуре 125°C значение R DS(on) удваивается и составляет 0.180 Ом у каждого транзистора. Общее максимально-допустимое сопротивление равно 1В/20A = 0.050 Ом. Теперь, находим, какое минимальное число транзисторов позволят выполнить требование по падению напряжения в открытом состоянии: 0.180 Ом/ 0.050 Ом = 3.6, следовательно, необходимо минимум 4 транзистора. Обратите внимание, что при использовании токоизмерительных резисторов (об этом пойдет речь далее) падение напряжения на них также нужно учитывать при определении числа транзисторов.

Рассматривая ограничения ОБР-П можно найти минимальное значение мощности, которую можно рассеивать при наибольшем приложенном напряжении; в данном случае это 400 В. В случае APL502J с температурами корпуса и перехода, соответственно, 75°C и 125°C при напряжении 400 В максимальный ток равен 0.2А, а рассеиваемая мощность 80 Вт. Минимальное число транзисторов, которое необходимо для управления всей нагрузкой мощностью 400 Вт, составляет 400 Вт/80 Вт = 5 шт. Таким образом, все поставленные требования выполняются при параллельном включении минимум 5 транзисторов APL502J.

Может возникнуть мысль о параллельном включении транзисторов с добавлением к затвору каждого транзистора отдельного резистора (для предотвращения генерации) и контролем тока в одной точке. Но, к сожалению, реализация такой идеи несомненно привела бы к выходу из строя транзисторов.

Наконец, нам осталось ответить на последний вызов к разработке силовой схемы, работающей в линейном режиме, связанный с разбросом пороговых напряжений у однотипных транзисторов. В линейном режиме транзисторы нельзя напрямую соединять параллельно; каждый транзистор должен пропускать через себя отведенную ему долю общего тока. Добиться этого можно с помощью различных способов.

При условии, что это позволяет требование по максимальному падению напряжения в открытом состоянии, последовательно с каждым МОП-транзистором может быть включено достаточно большое сопротивление, на которые будет возложена существенная часть тепловой нагрузки (резисторы будут нагреваться). С помощью резисторов можно также добиться уравновешивания токов через МОП-транзисторы. Для этого между истоком каждого МОП-транзистора и возвратной линией цепи управления затвором должен быть предусмотрен отдельный резистор. Такое включение создает отрицательную обратную связь возле каждого затвора. Добиться идеального уравновешивания токов невозможно. Сортировка транзисторов по пороговому напряжению также не даст результата, т.к. даже незначительное различие МОП-транзисторов по пороговому напряжению приведет к существенному разбросу тока.

Рис. 7. Идея осуществления линейного режима при параллельном включении транзисторов

Поскольку рассматриваемая схема должна обладать малым падением напряжения в открытом состоянии, то эффективным в стоимостном плане может оказаться решение с раздельной стабилизацией тока у каждого МОП-транзистора с помощью усилительной схемы (управляет напряжением затвор-исток) и датчика тока. Данную идею иллюстрирует упрощенная схема на трех параллельно работающих МОП-транзисторах ( Рис .7) . Чтобы выполнить требование по малому общему падению напряжения в схеме нужно использовать низкоомные резисторы или датчики Холла.

Для упрощения сборки, и минимизации размеров и стоимости готового решения компания Microsemi выпустила серию приборов, предназначенных главным образом для работы в линейном режиме, но и способных работать в качестве коммутаторов. Данные приборы содержат в компактном корпусе SP1 силовой транзистор (линейный МОП- или Filed Stop IGBT-транзистор), токоизмерительный резистор (обладающий малой индуктивностью) и датчик температуры.

Рис. 8. Транзистор, токоизмерительный резистор и датчик температуры в одном корпусе SP1

Встроенный токоизмерительный резистор установлен на том же керамическом изоляторе, что и силовой транзистор, тем самым, минимизируя индуктивность и достигая охлаждения резистора, который при максимальной нагрузке рассеивает мощность всего лишь несколько Ватт. Такое решение упрощает одновременный контроль напряжения сток-исток, тока стока и температуры корпуса. В результате обработки данной информации в численном виде могут быть получены такие кривые ОБР-П, которые позволят более полно использовать возможности прибора и максимально снизить стоимость системы.

Микроэлектроника

Следует различать два основных направления развития индустрии производства микросхем. Первое — разработка архитектуры, включающая в себя выбор тех или иных функций и особенностей будущих схем, микросхемотехнику и компоновку на кристалле функциональных блоков и их элементов, которые воплощают выбранные функции. А также — оптимизация готовых блоков с целью устранения узких мест, повышения производительности и надежности работы будущих схем, упрощения и удешевления их массового производства. Эти работы можно условно назвать «бумажными» — они выполняются «на кончике пера» и существуют лишь в виде компьютерных файлов и чертежей проектов будущих микросхем, что отнюдь не исключает многократного компьютерного моделирования физической работы как отдельных блоков, так и микросхемы в целом. Для этого используются специальные, тщательно согласованные с реальными приборами физические модели транзисторов и других функциональных элементов. И чем тщательнее смоделирована работа проекта, тем быстрее и с меньшими ошибками будет изготовлена сама микросхема (имеется в виду ее финальный, массовый вариант). Ведь отладка, поиск и исправление ошибок проектирования в уже готовом кристалле, как правило, значительно сложнее и дороже, чем моделирование на компьютере.

Второе основополагающее направление — это собственно полупроводниковые технологии производства микросхем. Сюда входят научная разработка и воплощение в «кремний» все более быстрых и маленьких транзисторов (см. врезку про закон Мура), цепей связи между ними и прочим «обрамлением» микроструктур на кристалле, создание технологий изготовления рисунка линий и транзисторов на поверхности кремния, новых материалов и оборудования для этого, а также «manufacturability» — область знаний о том, как производить микросхемы более высокого качества, более быстрые, с бо,льшим количеством годных кристаллов на пластине, меньшим числом дефектов и разбросом рабочих параметров.

Зачем делать транзисторы маленькими, или Реальная подоплека закона Мура

Зачем производители всячески стараются уменьшить размеры полевых транзисторов? Очевидно, что большее количество транзисторов на кристалле позволяет, во-первых, создавать более сложные, многофункциональные, вместительные и производительные микросхемы — вспомните про закон Мура и влияние размера кэш-памяти на быстродействие микропроцессоров. А во-вторых — делать кристаллы компактнее, то есть размещать больше кристаллов на одной кремниевой пластине, что в итоге снижает их себестоимость. Однако помимо этих очевидных «геометрических» причин существуют и другие немаловажные причины — «электрические».

Дело в том, что ток, протекающий через канал открытого транзистора, в первом приближении зависит от приложенного напряжения с коэффициентом пропорциональности mZC/L, где m — подвижность носителей заряда (то есть электронов или дырок), Z — ширина канала (в перпендикулярном рисунку 1 и протеканию тока направлении), L — длина канала (в направлении протекания тока, то есть от стока к истоку) и C — удельная (то есть на единицу площади) емкость затвора, зависящая от толщины и материала (диэлектрической проницаемости) подзатворного диэлектрика. Таким образом, чем короче канал, тем больше рабочий ток транзистора (при прочих равных), что позволит ему быстрее работать (например, перезаряжать паразитные емкости). Или, с другой стороны, у транзистора с более коротким каналом можно пропорционально уменьшить и другие планарные размеры (ширину канала и пр.), не ухудшая при этом его рабочий ток, то есть более компактный полевой транзистор (при прочих равных) сможет работать не хуже своего предшественника, поскольку с уменьшением планарных размеров уменьшаются и некоторые паразитные емкости (например, емкость затвора других транзисторов, с которыми он соединен). Кстати, рабочий ток современного полевого транзистора, особенно на наномасштабах, растет даже быстрее, чем 1/L — как 1/(L–Ls), где Ls — небольшой отрезок, определяемый точкой отсечки канала вблизи стока.

Но это еще не все. Вторым независимым параметром, улучшающимся с уменьшением длины канала L, является собственная максимальная (граничная) частота работы полевого транзистора. Она прямо пропорциональна подвижности носителей и обратно пропорциональна квадрату длины канала: fmax = m Uc/(2p L2), где Uc — напряжение между стоком и истоком транзистора. Так, для 0,13-микронных транзисторов (с реальной длиной канала около 70 нм) граничная частота составляет порядка единиц терагерц. Впрочем, этот параметр характеризует не столько «цифровые», сколько «аналоговые» предельные возможности полевых транзисторов (например, для работы в составе чипов радиосвязи).

Для цифровых устройств важнее оказываются паразитные емкости и величина рабочего тока. А еще — крутизна характеристики полевого транзистора. «Крутизна» в данном случае не сленг, демонстрирующий, какие «крутые» сейчас транзисторы, а научный термин, являющийся мерой быстродействия МОП-прибора. Крутизна характеристики — это производная тока стока по напряжению затвора (в данном случае — при работе на участке насыщения характеристики тока от потенциала стока, когда на истоке ноль). Крутизна S прямо пропорциональна напряжению на затворе с коэффициентом mZC/L (см. выше). Соответственно, справедливы все те же выводы, которые мы сформулировали ранее для тока стока. Однако существует еще один важный параметр миниатюризации транзисторов — толщина подзатворного диэлектрика. Она напрямую влияет на крутизну, поскольку удельная емкость C, входящая в предыдущую формулу, обратно пропорциональна толщине подзатворного диэлектрика d: C=eeo/d, где диэлектрическая проницаемость e зависит от материала подзатворного диэлектрика (eo — константа). То есть чем тоньше слой оксида кремния под затвором МОП-транзистора, тем транзистор «круче» (больше его крутизна) и потенциально быстрее.

К сожалению, обратной стороной уменьшения толщины диэлектрика в МОП-транзисторах последних поколений является заметный рост паразитного тока утечки затвора (из-за туннелирования электронов сквозь подзатворный диэлектрик, которое экспоненциально растет с уменьшением толщины после значения 1 нм). Ток утечки, будучи умноженным на громадное число транзисторов на кристалле, заметно повышает потребление и тепловыделение микросхемы, что негативно влияет на многое. С этим эффектом активно борются (см., например, обзор в «КТ» #521, с.50), но это уже не является предметом рассмотрения настоящей статьи. Отметим лишь, что для борьбы с «подзатворными» утечками толщину диэлектрика нельзя делать менее нескольких атомарных слоев (то есть примерно 1,2 нм). А этот предел уже фактически достигнут в современных микросхемах, производимых по 90-нм технологии (и недавно продемонстрированной Intel 65-нм технологии, см. «КТ» #555-556, с.40). Впрочем, позднее предполагается внедрить другие материалы (Последние тридцать лет в качестве основного материала для диэлектрика затвора использовался диоксид кремния (SiO2), что обусловлено его технологичностью и возможностью улучшать характеристики транзисторов по мере уменьшения их размеров. В новейших транзисторах толщина слоя оксида кремния составляет всего 1,2 нм, то есть пять атомарных слоев. Это предел — дальнейшее утоньшение приведет к существенному росту тока утечек и избыточному тепловыделению микросхемы в целом. По оценкам экспертов, в современных чипах почти 40% энергии теряется из-за утечек. В качестве замены диоксида кремния в будущих поколениях транзисторов (45-нм и менее; см., например, www.terralab.ru/system/30717) специалисты предлагают материалы с высокой диэлектрической проницаемостью — оксид или силицид гафния или оксид циркония. К сожалению, при этом приходится менять и материал затвора — традиционный поликристаллический кремний на специальные комбинации металлов, — поскольку дефекты на границе нового диэлектрика и поликремния затрудняют установку пороговых напряжений, а рассеяние на этих дефектах ограничивает подвижность электронов.) для подзатворного диэлектрика, что даст новый толчок к повышению крутизны путем уменьшения толщины d. А это позволит уменьшать и планарные (то есть в плоскости пластины) размеры транзисторов в микроэлектронных чипах. Что находится в согласии с эмпирическим законом Гордона Мура (количество транзисторов на кристаллах микросхем удваивается каждые два года), по которому современная микроэлектроника развивается уже около сорока лет.

Транзисторы

Что такое современный «микроэлектронный» транзистор? Как ни странно — это примерно то же, что и полвека назад, когда за его открытие Бардину, Браттейну и Шокли дали Нобелевскую премию по физике (Если быть точным, первый (биполярный) транзистор был создан в 1947 году, а «Нобеля» за него вручили в 1956-м. Кстати, в 2000 году Нобелевскую премию по физике присудили и Джеку Килби — за изобретение интегральной микросхемы. Напомним, что первая микросхема заработала 12 сентября 1958 года в компании Texas Instruments. Еще одним создателем интегральной микросхемы считается Роберт Нойс, умерший в 1990 году (по правилам, Нобелевская вручается только живущим ученым). Физики как таковой при создании микросхемы было немного, но Килби и Нойс «всего-навсего» придумали технологию, которая совершила переворот в электронной промышленности). Это усилитель и «выключатель» (switch) электрического тока, который, удобно сравнить с водопроводным краном: чем больше мы открутим «краник», тем сильнее из него потечет. Транзисторы, работающие в таком режиме, — режиме «пропорционального» (или по-научному — прямого) усиления тока (или напряжения — в соответствующих каскадах), — как ни странно, все реже применяются в современной технике. Такой режим соответствует аналоговым схемам, которые в последние пару десятилетий активно вытесняются цифровыми схемами, использующими лишь два крайних состояния — полностью открыт и полностью закрыт. То есть реализуют принципы двоичной арифметики (Булевой алгебры) с логическими уровнями 0 и 1.

Цифровые микросхемы имеют массу преимуществ перед аналоговыми, и если раньше ряд аналоговых схем было трудно заменить цифровыми, то нынче схемотехника (наука конструирования функционально сложных схем из простых кирпичиков — транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и пр.) шагнула далеко вперед — не в последнюю очередь благодаря развитию алгоритмов цифровой обработки сигналов. И нынче подавляющее большинство функциональных устройств выгоднее реализовывать на цифровых принципах, а аналоговым (и смешанным) схемам оставить на откуп только самое необходимое — прецизионные операционные усилители, АЦП/ЦАПы и некоторые усилители мощности . Даже традиционно аналоговые тракты премопередачи радиосигналов все больше тяготеют к цифре, поскольку современные способы радиосвязи все больше базируются на сложной математике и цифровых принципах.

В основе подавляющего большинства современных микросхем (и цифровых, и аналоговых) лежит так называемый полевой (или МОП) (Строго говоря, МОП-транзистор (MOSFET; или в более общем случае — МДП-транзистор, MISFET) является лишь одной из разновидностей полевых транзисторов (FET, Field Effect Transistor). Но в современной микроэлектронике количество «полевиков», которые бы не были МОП/МДП, исчезающе мало,, поэтому мы для простоты объединим эти понятия) транзистор, несколько отличающийся от открытого чуть ранее биполярного транзистора. Если два десятка лет назад микроэлектроника в равной мере использовала и полевые, и биполярные транзисторы (последние имели явное преимущество в быстродействующих и аналоговых усилительных схемах, тогда как первые — в некоторых цифровых и энергоэкономичных), то быстрый прогресс в науке и технологии позволил «полевикам» вытеснить «биполярники» почти отовсюду, а те редкие «бастионы», которые еще остались, должны скоро пасть (Последним прибежищем биполярных транзисторов остаются сверхбыстродействующие схемы для радиосвязи, однако полевой транзистор, работающий на частоте 1 ТГц (1000 ГГц), уже продемонстрирован, а современные серийные МОП-схемы способны покрыть диапазон радиосвязи как минимум до 10 ГГц). Поэтому мы не станем вникать в отличия биполярного транзистора от полевого, а рассмотрим лишь последний как основу современной и будущей (По ряду оценок, полевой транзистор в его нынешнем «кремниевом» виде будет служить фундаментом развития микроэлектроники (точнее — технологии производства интегральных схем) еще как минимум лет десять (и как минимум еще лет тридцать будут производиться разные кремниевые МОП-микросхемы), а затем ему на смену могут прийти разновидности полевых же транзисторов на новых материалах и наноструктурах) технологии производства микросхем.

Базовая структура МОП-транзистора, предложенная еще в 1960 году, остается практически неизменной и по сей день. На гладкой поверхности подложки из полупроводника кремния (Si) формируется тонкий слой оксида кремния (SiO2), на который осаждается металл (или другой хорошо проводящий ток материал). Такая трехслойная структура (рис. 1) и дала название транзистору — Металл-Оксид-Полупроводник (МОП)(Если заменить оксид кремния на какой-либо другой диэлектрик («Д»), получим МДП-транзистор) . И она не сильно отличается от той, которая присутствует в современных микросхемах. Сначала в тонком поверхностном слое подложки из монокристалла кремния формируются две неперекрывающиеся области с повышенной электропроводностью (малым сопротивлением электрическому току) — так называемые исток и сток . Промежуток между ними называется каналом, и это — наиболее важная часть транзистора, поскольку именно через нее протекает рабочий ток транзистора. Сверху на канал наносится (Слово «наносится» в данном случае не совсем точно — тонкий слой оксида сейчас создается прецизионным окислением поверхности самого кремния в специальных условиях) тончайший слой оксида кремния (или другого диэлектрика), при этом области стока и истока оставляются открытыми. Наконец, на оксид напыляется хорошо проводящий материал (условно назовем его металлом), который называется затвором (а оксид под ним — соответственно подзатворным диэлектриком). Транзистор готов, и остается только подвести (напылить) проводники (медь, алюминий или золото) к областям стока, истока и затвора, соединить этими проводниками (дорожками, или межсоединениями) нужные транзисторы, расположенные на поверхности того же кристалла, и покрыть всю структуру толстым слоем диэлектрика для защиты от внешних воздействий. Вот микросхема и готова!(Для простоты изложения мы опустили некоторые промежуточные технологические этапы, которые в данном контексте не принципиальны)

Итак, основу современной микроэлектронной технологии — то есть последовательность изготовления транзисторов и микросхем мы «вчерне» освоили, теперь посмотрим, как работает полевой транзистор. Здесь вместо «крана» удобнее использовать аналогию со шлюзом на водном канале. Пусть затвор транзистора — это ворота шлюза, а сток и исток — водный канал по обе стороны от ворот. Если ворота (затвор) закрыты, ничего не происходит, даже если уровни воды по обе стороны ворот (уровни напряжения на стоке и истоке) различны. Когда мы открываем ворота (подаем нужное напряжение на затвор транзистора), вода (ток) начинает течь в ту сторону, где ниже уровень (напряжение). Чем больше мы открываем ворота (подаем большее напряжение на затвор), тем сильнее течет вода (ток). В цифровых микросхемах используется лишь два положения ворот шлюза — закрыто и полностью открыто («Приоткрыто» (то есть открыто частично) — это уже только для аналоговых схем). В последнем случае вода течет так быстро, как сможет, то есть насколько позволяет ширина шлюза.

Именно «ширина шлюза» в открытом состоянии и является одной из важнейших характеристик полевого транзистора. Условно говоря, чем короче канал полевого транзистора (то есть чем меньше длина затвора), тем «шире шлюз» и быстрее работает транзистор (подробности см. во врезке) (Если говорить не условными аллегориями, а техническим языком: малая толщина подзатворного диэлектрика необходима для получения не только малых габаритов транзистора, но и для увеличения его быстродействия — чем тоньше диэлектрик, тем быстрее транзистор) — это является одной из причин, почему транзисторы стараются делать все более миниатюрными.

Базовой ячейкой микропроцессоров (в отличие, например, от чипов DRAM) является не одиночный транзистор, а минимум пара (Часто вместо пары используется от трех до шести транзисторов p- и n-типа, образующих логические вентили, триггеры или ячейки статической памяти (SRAM). Применяются и транзисторы с несколькими затворами) комплементарных (взаимодополняющих) МОП-транзисторов (КМОП — отсюда и название всей технологии). При одном и том же напряжении на затворе один из КМОП-транзисторов (n- или p- типа) (Транзисторы n- и p-типов используют разные легирующие примеси — донорные и акцепторные соответственно. Первые обогащают монокристалл кремния электронами, вторые — так называемыми дырками (фактически создают недостаток электронов). Таким образом, электрический ток в канале транзистора создается либо отрицательно заряженными электронами, либо положительно заряженными дырками. А удобно это именно с точки зрения комплементарности транзисторов, хотя по качеству транзисторы n-типа, как правило, немного лучше) открыт, а другой закрыт. И наоборот. Что как раз и приводит к четкому формированию уровней напряжения, соответствующих логическим 0 и 1. Подобно тому, как штангист либо готовится к попытке (штанга на помосте — логический 0), либо рывком зафиксировал вес (и ему засчитывают попытку, логическая 1). Промежуточные состояния «штанги» в расчет не берутся, и, вообще говоря, их «поддержание» в фиксированном состоянии значительно тяжелее для штангиста, чем два крайних, как и состояния между 0 и 1 для КМОП-вентилей. В последних же ток потребления оказывается минимальным (теоретически — близким к нулю).

Проблемы миниатюризации

Если миниатюризация — это так хорошо, то что же ограничивает стремление делать транзисторы как можно более маленькими? Во-первых, как мы уже отмечали во врезке, это физический (атомарный) предел толщины подзатворного диэлектрика. Но это далеко не единственный фактор.

Размеры транзисторов в плоскости пластины определяются даже не столько желаниями разработчиков (требованиями характеристик и схемотехнического проекта), сколько существующим уровнем производственных возможностей — главным образом, фотолитографического оборудования, при помощи которого формируется рисунок транзисторов и проводников на поверхности кристалла (см. вторую статью). Помимо различных побочных эффектов основными факторами, определяющими «нормы» (Например, когда говорят о 130-нм, 90-нм или 65-нм техпроцессах, имеют в виду именно технологические нормы) техпроцесса, то есть минимальный планарный размер элемента (минимальную толщину «рисуемых» линий), являются длина волны используемого для фотолитографии излучения и «прецизионность» теневых масок и электронно-механического оборудования, совмещающего маски с рисунком на поверхности пластины. (Помимо точности совмещения и позиционирования необходимо обеспечивать защиту от всевозможных вибраций, что достигается, в частности, специальной амортизацией от фундамента здания и пр) В настоящее время (для 90-нм и 65-нм технологий) используется фотолитография с длиной волны 193 нм (Deep Ultra-Violet, или DUV, — глубокий ультрафиолетовый свет, не видимый глазом. До этого для производства 0,18- и 0,13-микронных кристаллов использовалась УФ-литография с длиной волны 248 нм).Она же, вероятно, будет использоваться и для техпроцесса 45 нм (правда IBM и AMD склоняются в пользу 157-нм света). Но для освоения техпроцесса 32 нм примерно к 2009 году будет взята уже совершенно новая литография — EUV (Extreme Ultra-Violet) с длиной волны всего 13 нм, экспериментальные маски для которой уже демонстрировались (см., например, обзор будущих технологий нанолитографии на www.terralab.ru/system/24500), а в августе этого года в Intel заработали первая в мире коммерческая установка для EUV-фотолиторгафии и пилотная линия по производству EUV-масок. К слову, возможность применения в будущем иммерсионной фотолитографии (где экспонирование через маску происходит в жидкости) вместо традиционной воздушной рассматривается сейчас многими производителями, однако по мнению экспертов из ряда ведущих микроэлектронных компаний, она пока менее выгодна экономически, чем EUV.

При разработке техпроцессов 65 и 45 нм ключевую роль играет технология усовершенствованных литографических масок, поскольку длина волны тут как минимум втрое больше получаемого элемента на пластине и существенную роль играют эффекты дифракции света на краях масок («подсвечивание» и размытие краев экспонируемого рисунка). К счастью, здесь на помощь приходят сложные оптические методы формирования рисунка — например, фазосдвигающие маски и маски с оптической коррекцией (за недостатком места отсылаем читателя к статье на www.terralab.ru/system/30845). В результате мы сейчас имеем ровно то, что имеем, — меньшие, чем позволяет текущее технологическое оборудование, транзисторы просто не сделать. Например, на рисунке 2 показаны фотографии транзисторов, уже изготовленных в лабораториях по технологическим нормам 45, 32 и даже 22 нм! И их появление в промышленном масштабе ожидается достаточно скоро.

Любопытно, что начиная примерно с 0,25-микронного техпроцесса физический размер (длина канала) МОП-транзисторов оказывается, в силу особенностей способа изготовления, меньше, чем технологические нормы производства. Так, для 0,13-микронного техпроцесса транзисторы имеют длину канала всего около 70 нм, текущие 90-нм транзисторы могут похвастаться длиной канала в 50 нм (рис. 1), а в будущих транзисторах, изготовленных по нормам 65, 45, 32 и 22 нм, длина канала будет лишь около 30–35, 20–25, 15 и 10 нм соответственно (рисунок 2). И тут самое время отметить еще один фундаментальный предел современной микроэлектронной технологии, на котором так любят спекулировать всевозможные апологеты квантовых компьютеров, оправдывая перед спонсорами свои дорогостоящие и пока малорезультативные (К сожалению, теория квантовых компьютеров, активно развиваемая силами научного сообщества по крайней мере последние пару десятилетий (см., например, тему номера в «КТ» #414), так по сей день и остается теорией — практического прорыва, позволившего бы надежно воплощать в «железо» хотя бы простейший вычислительный квантовый элемент, до сих пор нет, а наиболее оптимистичные прогнозы относительно реальных квантовых компьютеров отсылают нас как минимум на несколько десятилетий вперед. Так что современная микроэлектроника останется «в строю» еще очень долго) исследования.

Дело в том, что с уменьшением размеров транзисторов до нескольких нанометров (и росте частоты их работы), во-первых, пропорционально уменьшается число электронов/дырок, задействованных в переносе тока, — вплоть до того, что на каждое переключение КМОП-вентиля «приходится» лишь несколько десятков или сотен носителей заряда, а во-вторых, резко возрастает роль квантовых эффектов в нанотранзисторах (одним из следствий чего является существенный рост «шума» и утечек). В результате, традиционные «макроскопические» модели работы МОП-транзисторов, основанные на статистическом усреднении по огромному числу носителей, перестают адекватно отражать ситуацию и требуется пересмотр самой физики работы микроэлектронных приборов (в этом случае — уже наноэлектронных). Пока этим еще можно пренебрегать, однако позднее могут потребоваться существенные коррективы.

Попутно отметим еще один вредный эффект при миниатюризации транзисторов. Уменьшая транзисторы, приходится снижать их рабочее напряжение — для текущих и ближайшего будущего микропроцессоров оно составляет 0,7–1,5 В. Однако при напряжении около 1 В уже трудно полностью «закрывать» транзисторы, и в результате они «протекают» — как кран, из которого капает вода (так называемая утечка от истока к стоку). А поскольку в новейших микропроцессорах насчитываются сотни миллионов и даже миллиард транзисторов, то суммарный ток утечки выливается (простите за каламбур) в немалый паразитный ток для всей микросхемы. Этот эффект сейчас даже более существенен, чем утечки затвора. И с ним активно борются, в частности, используя так называемые sleep-транзисторы, попросту отключающие от питания целые участки микросхем, не работающие в тот или иной момент времени.

Альтернативой могло бы стать дальнейшее «утоньшение» подзатворного диэлектрика, что позволит снизить пороговое напряжение (то есть напряжение «закрывания» транзисторов) и тем самым — утечки «сток-исток» в закрытом состоянии, но в силу резко возрастающих при этом утечек затвора пока такой шаг оказывается неэффективным. Возможно, этот путь станет реальным с заменой оксида кремния на другой подзатворный диэлектрик с более высокой диэлектрической проницаемостью — в готовящемся техпроцессе 45 нм.

<< Как производятся микропроцессоры
Все материалы номера
Как делают микросхемы >>

> Урок 2.5 — Транзисторы и микросхемы

Транзистор

Я очень долго думал, как объяснить простыми человеческими словами, что же такое транзистор. Даже если рассказывать о транзисторе очень-очень поверхностно, мне придётся написать не менее пяти листов, используя заумные термины.

Потом меня осенило: ведь главная цель моего обзора – не дать академические знания (за ними пожалуйте в университет или хотя бы в Википедию), а научить начинающего радиолюбителя хотя бы отличать транзистор от конденсатора и резистора, чтобы успешно собрать свои первые конструкции (например, наборы Мастер Кит).

Поэтому лучше всего сказать так: транзисторы – это радиодетальки с тремя выводами, предназначенные для усиления и преобразования сигналов. Так они могут выглядеть в жизни:

Так обозначается транзистор на схеме:

У транзистора, как мы уже поняли, три вывода: база (B), коллектор (C), эмиттер (E).
На базу обычно подаётся входной сигнал, с коллектора — снимается усиленный сигнал, а эмиттер является общим проводом схемы. Конечно, это очень примитивное описание принципов работы транзистора, и вообще есть очень много нюансов, но мы уже договорились, что я не буду мучить вас чтением многостраничного труда.

На самой радиодетали выводы никак не маркированы. Какого-либо стандарта расположения выводов тоже нет. Так как же определить, где какой вывод?
Придётся воспользоваться справочной информацией: на каждый транзистор имеется так называемый даташит, или, иными словами, паспорт радиодетали. В даташите приводится вся информация по транзистору: максимально допустимые ток и напряжение, коэффициент усиления, расположение выводов и многое-многое другое. Даташиты проще всего искать в сети Интернет, также основные параметры транзисторов можно найти в радиолюбительской литературе.

Взаимозаменяемость транзисторов

Так как транзистор имеет гораздо более сложное устройство и больше значащих параметров, чем резистор, конденсатор или диод, подобрать допустимую замену отсутствующему компоненту непросто. Как минимум, у заменяемого транзистора должен быть такой же тип корпуса и цоколёвка (расположение выводов). Новый транзистор должен иметь такую же структуру: NPN или PNP. Кроме того, необходимо учитывать электрические параметры: допустимые токи, напряжения, в некоторых случаях – граничную частоту и т.п.
Иногда разработчик схемы делает этот труд за вас, предлагая возможные аналоги транзистора. В сети Интернет и в радиолюбительской литературе также имеются справочные таблицы с информацией о возможных аналогах транзисторов.
В наборы Мастер Кит также иногда вкладываются вместо оригинальных (временно отсутствующих на складе) транзисторов их аналоги, и такая замена не ухудшает качества работы готовой конструкции.

Установка транзистора на печатную плату

Вообще же, для успешной сборки набора Мастер Кит необязательно знать, где какой вывод у транзистора. Достаточно совместить «ключи» на транзисторе и на печатной плате – и выводы транзистора «автоматически» установятся так, как положено.

Посмотрите на рисунок. У транзистора есть «ключ» — при взгляде на него сверху явно видно, что корпус полукруглый. Такой же «ключ» имеется на печатной плате. Для корректной установки транзистора достаточно совместить «ключи» на транзисторе и на печатной плате:

Микросхема

Микросхема – это уже почти готовое устройство, или, образно говоря, электронный полуфабрикат.

Микросхема содержит в себе электронную схему, выполняющую определённую функцию: это может быть логическое устройство, преобразователь уровней, стабилизатор, усилитель. Внутри микросхемы размером с ноготь могут содержаться десятки (а иногда и сотни, миллионы и миллиарды) резисторов, диодов, транзисторов и конденсаторов.

Микросхемы выпускаются в различных корпусах и имеют разное количество выводов. Вот некоторые примеры микросхем, с которыми может работать начинающий радиолюбитель:

Цоколёвка микросхемы

Выводы нумеруются против часовой стрелки начиная с левого верхнего. Первый вывод определяется с помощью «ключа» — выемки на краю корпуса или точки в виде углубления.

Взаимозаменяемость микросхем

Микросхема – это узкоспецифическая готовая электронная схема, содержащая в себе огромное количество элементов, и в общем случае каждая микросхема уникальна.
Но всё же в некоторых случаях можно подобрать замену. Разные производители могут выпускать одинаковые микросхемы. Проблема только в том, что не существует никакой унификации в названии (иногда, но не обязательно, могут совпадать цифры наименований). Например, MA709CH, MC1709G, LM 1709L SN72710L, К153УД1А/Б — это одна и та же микросхема разных фирм-производителей.

В некоторых случаях в наборы Мастер Кит также могут входить аналоги микросхем. Это нормально, и не ухудшает характеристик готовой схемы.

Микросхемы — стабилизаторы напряжения

Микросхемы стабилизаторов напряжения имеют три вывода, поэтому их легко можно перепутать с транзистором. Но в корпусе этого маленького компонента могут содержаться десятки транзисторов, резисторов и диодов. Например, на рисунке ниже представлена микросхема 78L05. Вы можете подавать на её вход напряжение от 5 до 30В, на выходе же микросхемы будет присутствовать неизменное напряжение 5В, при этом нагрузочная способность микросхемы – 100 мА. Подобный стабилизатор выпускается и в более мощной версии – до 1А нагрузочной способности, называется он 7805 и имеет более крупный корпус.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *