Вакуумная электроника и приборы вакуумной электроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вакуумная электроника и приборы вакуумной электроники

Вакуумная электроника занимается вопросами электронной эмиссии, формированием и управлением потоков электронов, ионов и др. Основные направления развития вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов:

электронных ламп (диодов, триодов, тетродов, пентодов и др.),

электровакуумных приборов сверхвысокой частоты (магнетронов, клистронов и др.),

электронно-лучевых и фотоэлектронных приборов (кинескопов, видиконов, суперортиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей и др.),

газоразрядных приборов (тиратронов, газоразрядных индикаторов и др.), рентгеновских трубок и др.

Вакуумные электронные приборы обычно представляют собой герметично запаянные стеклянные, металлические или керамические (нувисторы) сосуды с различными электродами внутри, соединёнными с контактами внешнего разъёма прибора через стеклянный или керамический вакуумно-плотный изолятор. Предварительно из них удаляют воздух

Явления электронной эмиссии, виды электронной эмиссии

Электронная эмиссия -- явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости. Явление электронной эмиссии заключается в испарении электронов с поверхности металла или электронного полупроводника. Для удаления от поверхности электрон должен совершить некоторую работу выхода р против сил, удерживающих его внутри металла или полупроводника.

Термоэлектронная эмиссия

Электронную эмиссию, возникающую в результате нагрева, называют термоэлектронной эмиссией (ТЭ). Явление ТЭ широко используют в вакуумных и газонаполняемых приборах.

Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия

Электростатической (автоэлектронной эмиссией) называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля. Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) или внешний фотоэффект -- эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. ФЭ объясняется на основе квантовой теории твёрдого тела и зонной теории твёрдого тела.

Вторичная электронная эмиссия

Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.

Ионно-электронная эмиссия

Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

Взрывная электронная эмиссия

Испускание электронов в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера.

Криогенная электронная эмиссия

Испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. Мало изученное явление.

Физическая природа эффекта шотки

Шотки эффект - уменьшение работы выхода эл-нов из тв. тел под действием внешнего ускоряющего их электрич. поля. Ш. э. проявляется в росте тока термоэлектронной эмиссии в режиме насыщения, в уменьшении энергии поверхностной ионизации и в сдвиге порога фотоэлектронной эмиссии в сторону больших длин волн. Ш. э. возникает в электрич. полях Е, достаточно больших для рассасывания пространств. заряда у поверхности эмиттера (Е=10--100 В*см-1), и существен до полей E=106 В*см-1, после чего начинает преобладать просачивание эл-нов сквозь потенц. барьер, образующийся на границе тела (автоэлектронная эмиссия).

Для объяснения Ш. э. достаточно рассмотреть силы, действующие на эл-н вблизи поверхности металла, начиная с расстояний х>а (а -- межат. расстояние), когда можно отвлечься от ат. структуры поверхности. Из-за большой электропроводности металла его поверхность эквипотенциальна, силовые линии электрич. поля перпендикулярны ей. Поэтому эл-н с зарядом -- е, находящийся на расстоянии х от поверхности, взаимодействует с ней так, как если бы он индуцировал в металле на глубине -- x своё «электрич. изображение», т. е. заряд +е. Сила их притяжения F=е2/16pe0x2, где e0 -- электрическая постоянная.

электронный эмиссия полупроводниковый транзистор

Электронная лампа. Параметры электронной лампы

Электромнная ламмпа, радиоламмпа -- электровакуумный прибор (точнее, вакуумный электронный прибор), работающий за счёт управления интенсивностью потока электронов, движущихся в вакууме или разрежённом газе между электродами.

Параметрами электронной лампы называют постоянные величины, определяющие ее свойства. Главными параметрами триода, характеризующими усилительные качества лампы, являются: крутизна, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.

Одним из основных параметров усилительной лампы является ее крутизна, которая показывает, насколько сильно напряжение на управляющей сетке влияет на величину анодного тока (листы 112, 113). Крутизна обозначается буквой S и измеряется в миллиамперах на вольт (ма/в). Чем больше крутизна лампы, тем сильнее управляющее напряжение влияет на анодный ток, тем, следовательно, лучше усилительные свойства лампы при прочих равных условиях.

Коэффициент усиления м показывает, какое максимальное усиление можно получить от лампы, то есть во сколько раз переменное напряжение на выходе каскада может быть больше, чем усиливаемое напряжение. Практически лампа может обеспечить меньшее усиление, чем об этом говорит коэффициент м.

Если изменить напряжение на аноде лампы, то изменится ее анодный ток, то есть произойдет то же самое, что и в обычном сопротивлении: если изменить напряжение, которое подводится к какому-нибудь сопротивлению, то изменится и протекающий по нему ток. У большинства пентодов внутреннее сопротивление очень велико и достигает нескольких сот килоом, а иногда и нескольких мегом. У триодов и выходных ламп Ri намного меньше - оно не превышает нескольких десятков килоом, а иногда бывает и меньше одного килоома. Величину внутреннего сопротивления приходится учитывать при выборе ламп для того или иного усилительного каскада.

Физические основы полупроводниковых приборов

Все твердые вещества по своим электрическим свойствам разделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками электрического тока) и диэлектриками.

Чистые полупроводники при нуле абсолютной температуры (Т = 0єК) являются идеальными диэлектриками. Однако в нормальных условиях, при комнатной температуре, некоторые валентные электроны кристаллической решетки получают энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи, т.е. для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие разрыва одной парноэлектронной связи образуются два носителя заряда: электрон и дырка.

Электрон, как известно, является носителем элементарного отрицательного заряда. При разрыве парноэлектронной связи электрон отрывается от атома, после чего одна связь в атоме оказывается незаполненной - свободной.

Незаполненная электронная связь в кристаллической решетке полупроводника называется дыркой. Дырка обладает положительным зарядом, по абсолютной величине равным заряду электрона, и, следовательно, является носителем положительного заряда. Дырка может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседнего атома. Процесс заполнения электроном дырки называется рекомбинацией.

Наличие носителей зарядов в полупроводнике объясняет его проводимость. Проводимость чистого полупроводника, обусловленная электронами и дырками, возникающими только в результате разрыва парноэлектронных связей, называется собственной проводимостью.

При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в объеме полупроводника беспорядочно.

Ток, протекающий в полупроводнике при равновесной концентрации носителей зарядов (электронов и дырок), называется дрейфовым током или током проводимости.

Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником і - типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, складывается из электронной и дырочной электропроводности.

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной. Электронная электропроводность - электропродность, обусловленная передвижением в веществе свободных электронов как основных носителей зарядов. Дырочная электропроводность - электропроводность полупроводника или кристаллического диэлектрика, обусловленная перемещением электронных или ионных дырок проводимости под действием внешнего электрического поля.

Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочередно замещая друг друга, что порождает "движение" дырок в противоположном направлении.

Полевой транзистор. устройство и характеристики

Полевой транзистор - это полупроводниковый преобразовательный прибор, в котором ток, текущий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний. Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении микросхем. Принцип действия полевых транзисторов снован на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током, осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Поэтому эти транзисторы называют полевыми.

Полевые (униполярные) транзисторы делятся на транзисторы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Iс. Между затвором и истоком полевого транзистора приложено обратное напряжение, запирающее p-n-переход, образованный n-областью канала и p-областью затвора.



Схема включения полевого транзистора с общим истоком с управляющим p-n-переходом

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, низкое падение напряжения на открытом полностью канале. Однако полевые транзисторы обладают таким недостатком, как необходимость работать в отрицательных областях ВАХ, что усложняет схемотехнику.

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

* стокозатворная характеристика - это зависимость тока стока IС от напряжения на затворе UЗИ

* стоковая характеристика - это зависимость IС от UСИ при постоянном напряжении на затворе

Биполярный транзистор. устройство и характеристики

Биполярным транзистором называется электронный прибор с двумя взаимодействующими p-n -переходами и тремя или более выводами. P-n-переходы образуются тремя близко расположенными областями с чередующимися типами электропроводности: p-n-p или n-p-n . Такие транзисторы называют биполярными, так как их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Рис.Жирной чертой показаны невыпрямляющие контакты выводов;

Большинство биполярных транзисторов изготавливается на основе кремния. Чаще используется структура n-p-n , так как в этом случае основными носителями являются электроны, а они более подвижны чем дырки. Эмиттер выполняет роль поставщика основных носителей заряда к коллектору. Из-за большой концентрации электронов эмиттер имеет высокую проводимость (или малое объемное сопротивление). База является более высокоомной областью по сравнению с эмиттером.

четыре режима работы транзистора:

1) активный (усиления). Эмиттерный переход смещён в прямом

направлении, а коллекторный - в обратном;

2) отсечки. Оба перехода смещены в обратном направлении;

3) насыщения. Оба перехода смещены в прямом направлении;

4) инверсный. Эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный - в прямом.

Транзистор описывается семействами выходных и входных характеристик.

Выходной или коллекторной ВАХ транзистора называется зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером, снятая при неизменном токе базы. Выходной характеристикой называют зависимость тока коллектора Iк от напряжения коллектор-эмиттер Uкэ при фиксированном токе базы.

Входная характеристика биполярного транзистора - это зависимость тока базы I б от напряжения база-эмиттер Uбэ при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер Uкэ. Входные характеристики- Зависимость тока базы от напряжения на эмиттерном переходе при постоянном напряжении на коллекторе.

Элементы и компоненты интегральных схем

Интегральная схема (ИС) - это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования (обработки) сигналов и содержащее большое количество элементов - транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. д., соединенных друг с другом определенным образом. Термин «интегральная схема» указывает на то, что все элементы изделия объе¬динены (интегрированы) и само изделие является конструктивно единым прибором. Элементы, входящие в состав ИС, которые не могут быть выделены как самостоятельные изделия, называются элементами ИС(резисторы, конденсаторы, проводники тока, транзисторы и диоды). Те же элементы, которые можно выделить как самостоятельные изделия, например бескорпусные транзисторы, называются компонентами ИС Компоненты могут состоять из нескольких элементов, например, диодные сборки. В процессе изготовления микросхемы на подложке одновременно создается большое количество элементов, а компоненты ИС в процессе сборки устанавливаются по отдельности. Интегральная схема, состоящая из интегрированных элементов (или компонентов), рассматривается как компонент электронной аппаратуры.

Методы изоляции транзисторных структур

Транзисторные структуры являются основными конструктивным элементом полупроводниковых ИС.

Конструктивное исполнение изолирующих областей оказывает существенное влияние на электрофизические характеристики и в значительной степени определяет топологические площади транзисторной структуры, вносящие основной вклад в частотные параметры транзисторов и быстродействие ИС.

Применяемые в промышленности методы изоляции транзисторных структур можно разделить на три основных группы:

- диодная изоляция (изоляция обратно смещенным p-n переходом коллектор- подложка);

- комбинированная изоляция (боковая диэлектрическая и донная диодная- содержащая сформированные в кремниевой подложке области с эпитаксиальным и скрытым слоями, боковая изоляция которых выполнена в виде слоев диэлектрика, пересекающих эпитаксиальный слой и касающихся скрытого слоя, а изоляция данных участков скрытого слоя с подложкой обеспечивается р-n-переходом);

- полная диэлектрическая изоляция( в качестве подложки применяют поликристаллический кремний).

Основные технологические процессы первичной обработки полупроводниковых структур

Основным материалом для изготовления интегральных схем служит кремний - полупроводниковый материал серого цвета, один из наиболее распространенных в природе химических элементов. Первым этапом в изготовлении кремниевой пластины является очистка сырого кремния от примесей. Обычно используется зонная плавка - метод перекристаллизации материалов посредством создания в образце небольшого расплавленного участка - зоны ее перемещения по всему образцу. На втором этапе производится выращивание монокристалла кремния.Слиток выращивается на основе монокристалла - затравки, помещенной на торце держателя. Кристалл-затравка помещается в расплав кремния и, медленно вращаясь, перемещается вверх. Расплавление и последующее охлаждение расплава кремния стимулирует рост монокристалла в соответствии со структурой затравки кристалла. Для получения высококачественных слитков используются автоматизированные системы, позволяющие задать оптимальную скорость вытягивания кристалла. Слитки шлифуются для получения плоской грани параллельной оси кристалла. Эта грань используется в качестве базовой на протяжении всего процесса изготовления интегральных схем при совмещении изображений и проведения электрических и оптических измерений. Третьим этапом технологического процесса является разрезание слитка алмазными дисками. Четвертый этап - Монокристаллический кремний легируется путем добавления донорной или акцепторной примеси(фосфором) и, соответственно, может быть электронного или дырочного типов проводимости.



Процессы литографии

Группа технологических процессов, предназначенная для формирования топологических параметров транзисторных структур, объединена понятием литография.

Литографические процессы формируют заданный рельеф (рисунок) в слое полупроводника, диэлектрика или металла с целью изготовления интегральных схем или других электронных приборов. Литографические процессы включают в себя следующие этапы:

1 этап - нанесение фоточувствительной полимерной пленки на кремниевую пластину;

2 этап - сушка и последующее экспонирование пластины через соответствующий фотошаблон;

3 этап - проявление изображения путем травления незащищенных полимерной пленкой областей со сформированным изображением.

Основной характеристикой литографического процесса является разрешающая способность, другими словами, способность раздельно воспроизводить отдельные элементы топологии. Разрешающая способность определяется длиной волны воздействующего излучения и параметрами резиста. Теоретический предел разрешающей способности, согласно критерию Релея, определяется величиной, пропорциональной половине длины волны экспонирующего излучения.

В зависимости от вида воздействующего излучения различают оптическую или фотолитографию, электронолитографию, рентгенолитографию, ионно-лучевую литографию, лазерную литографию.

Процессы эпитаксии

ЭПИТАКСИЯ - процесс наращивания монокристал-лич. слоев вещества на подложку (кристалл), при к-ром кристаллографич. ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографич. ориентацию подложки. Э. позволяет получать такие тонкие (1 нм-10 мкм) однородные монокристаллич. слои - т.н. эпитакциальные слои (ЭС) - любого типа проводимости и любого уд. электрич. сопротивления, какие невозможно создать иным способом. Различают гетероэпитаксию, когда вещества подложки и наращиваемого слоя различны по хим. составу и кристаллич. структуре, и гомоэпитаксию, когда подложка и наращиваемый слой одинаковы по хим. составу или отличаются только примесным составом. Э. используется в технологии производства широкого класса электронных приборов и устройств для получения (в виде плёнок и многослойных структур) эпитаксиальных слоев элементарных полупроводников.

Свойства ЭС во многом определяются условиями сопряжения кристаллич. решёток наращиваемого слоя и подложки, причём существенно их структурно-геом. соответствие; легче всего сопрягаются вещества, кристаллич. структуры к-рых одинаковы или близки (напр., вещества с кристаллич. структурой сфалерита и алмаза). Э. легко осуществляется, если разность постоянных решёток не превышает 10%; в этом случае тонкий наросший ЭС продолжает атомные плоскости подложки (возникает псевдо-морфный слой). При больших расхождениях сопрягаются наиб. плотно упакованные плоскости. При разл. решётках сопрягаемых веществ в ЭС возникают дислокации несоответствия. Плотностью дислокаций несоответствия можно управлять, меняя параметры решётки растущего кристалла (напр., введением примесей) и получая т.о. бездислокационные ЭС с высокой подвижностью и малой плотностью носителей заряда. Помимо структурно-геом. соответствия сопряжение пар веществ зависит от темп-ры процесса (темп-рой Э. наз. предельно низкая темп-pa, при к-рой ещё возможно ориентированное нарастание вещества), степени пересыщения осаждаемого вещества, совершенства подложки и чистоты её поверхности. Поэтому подложку перед Э. обычно подвергают механич., хим. или радиац. обработке. ЭС растёт за счёт атомов и молекул, составляющих адсорбц. слой, и скорость роста зависит от пересыщения в этом слое.

Э. возможна из любой фазы: газовой (газофазная Э.- ГФЭ), жидкой (жидкостная, или жидкофазная, Э.- ЖФЭ) и твёрдой (твердофазная Э.- ТФЭ). Преимуществ. развитие получили ГФЭ и ЖФЭ.

Интегральные диоды

Интегральные диоды представляют собой многослойные структуры, характеристики которых определяются схемой включения транзисторной структуры. Определенное влияние оказывают паразитные транзисторы, которые образуются из-за взаимодействия рабочих слоев с подложкой ИМС. В частности, ток утечки диода в подложку определяется током коллектора паразитного транзистора. Из-за наличия тока утечки входной ток интегрального диода всегда отличается от выходного тока. Быстродействие интегрального диода, определяемое зарядными емкостями переходов и временем рассасывания, также зависит от схемы включения. Динамические свойства интегральных диодов оцениваются как известными параметрами, так и дополнительным - емкостью диод - подложка.

Характерное отличие интегрального диода от дискретного заключается в наличии паразитной емкости и паразитного транзистора. Интегральный диод можно рассматривать как трехполюсный прибор, третьим электродом которого служит подложка. Влияние паразитного транзистора, включающего в себя базу, коллектор и подложку, необходимо учитывать при проектировании полупроводниковых ИМС. Так как в полупроводниковой ИМС, изолированной с помощью p - n - перехода, подложка соединяется с наиболее отрицательной точкой схемы, то коллекторный переход паразитного транзистора смещается в прямом направлении.

При обратном смещении интегрального диода необходимо учитывать, что напряжения, прикладываемые к диоду и изолирующему р-л-переходу, не должны превышать пробивных напряжений соответствующих переходов.

Структура интегрального диода, образованного р-п - - п - областями, изолируется от основной секции или прорезью, или диффузионным защитным кольцом. Данная мера не позволяет носителям, связанным с диодом, глубоко проникать в тиристорную секцию.

Интегральные резисторы

Интегральные резисторы ( как и дискретные) характеризуются ТКС, значение и знак которого зависят от типа резистора.

Создание интегральных резисторов, представляющих собой тоцкий ( порядка 3 мкм) слой полупроводника, происходит по планарной технологии в процессе диффузии примеси в островки подложки или эпитаксиального слоя одновременно с формированием транзисторов и диодов в других островках подложки. Такие резисторы называют диффузионными. Изоляция диффузионных резисторов от других элементов и подложки осуществляется так же, как и в интегральных транзисторах - с помощью запертого р - / г-перехо-да.

При моделировании интегральных резисторов следует учитывать, что они представляют собой распределенные С-структуры. Паразитная емкость С-структуры определяется зарядной емкостью изолирующего р-я-перехода в монолитных схемах, а при диэлектрической изоляции и для пленочных резисторов - емкостью резистивного слоя относительно подложки. Влияние паразитной распределенной емкости обычно описывается введением в модель шунтирующего конденсатора с постоянным значением емкости, равным среднему значению емкости распределенной RC-структуры. Иногда параллельно резистору в модели, кроме конденсатора, подключают паразитный транзистор. Параметры такой модели рассчитываются из технологических данных.

Различают два типа интегральных резисторов: полупроводниковые и пленочные. При анализе характеристик интегральных резисторов необходимо иметь в виду, что они представляют собой распределенные ЛС-струк-туры. В ИМС с изолирующим p - n - переходом паразитная емкость RC-структуры определяется зарядной емкостью изолирующего р-п-перехо-да.

С повышением напряжения источника питания возникает опасность электрического пробоя р-п переходов транзисторной структуры или пленки, которой изолируется затвор полевого транзистора, и растут потери энергии, так как с увеличением сопротивления коллекторной или стоковой нагрузки падение напряжения на нем возрастает, что приводит к дополнительным потерям энергии. Кроме того, в интегральных усилителях увеличение сопротивления интегрального диффузионного резистора связано с ростом стоимости микросхемы, поскольку интегральный резистор с большим сопротивлением будет занимать значительную площадь на кристалле, что потребует увеличения его размеров.

Интегральные конденсаторы

Интегральные конденсаторы формируются преимущественно на основе барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного р-ге-переходов биполярных транзисторов.

Для интегральных конденсаторов, формируемых на основе р-я-переходов, сопротивление R определяется в основном сопротивлением области, непосредственно прилегающей к области объемного заряда перехода, так как оно обычно значительно превышает сопротивление области с относительно низким удельным сопротивлением. Конденсатор, рассчитанный на высокое пробивное напряжение, будет иметь меньшую добротность по сравнению с конденсатором, рассчитанным на низкое пробивное напряжение. Тем не менее следует отметить, что даже низковольтный интегральный конденсатор, формируемый на основе р-я-перехода, имеет малую добротность по сравнению с конденсаторами, используемыми в схемах на дискретных элементах.

В моделях интегральных конденсаторов следует учитывать зависимость емкости от режима, а также пробивное напряжение, которое зависит от технологии и может оказаться недостаточно большим. Паразитным элементом диффузионных и пленочных конденсаторов является сопротивление потерь материала обкладок.

Важная особенность интегральных конденсаторов заключается в том, что их емкость зависит от изменения напряжения, приложенного к р-я-переходу. Максимальное значение удельной емкости конденсатора достигается тогда, когда напряжение внешнего смещения равно нулю и емкость структуры определяется только диффузионным, или контактным, потенциалом срк. Однако такой режим работы конденсатора практически неприемлем. Исключение представляет случай очень малой амплитуды напряжения, поскольку переход должен находиться в непроводящем состоянии при любой фазе приложенного напряжения. интегральным конденсаторам, формируемым на p - n - переходе, присущ ряд существенных недостатков. С помощью такого способа невозможно получить большие номинальные значения емкости, так как для этого потребовалась бы большая площадь подложки. Кроме того, для конденсаторов на основе p - n - перехода характерны малая добротность и зависимость емкости от приложенного напряжения, что значительно ограничивает класс схем, в которых их можно использовать.

Кроме того, следует иметь в виду, что характеристики интегральных диодов весьма близки к характеристикам дискретных диодов, в то время как интегральный конденсатор значительно уступает по параметрам дискретному.

Конденсатор, рассчитанный на высокое пробивное напряжение, будет иметь меньшую добротность по сравнению с конденсатором, рассчитанным на низкое пробивное напряжение. Тем не менее следует отметить, что даже низковольтный интегральный конденсатор, формируемый на основе p - n - перехода, имеет малую добротность по сравнению с конденсаторами, используемыми в схемах на дискретных элементах.

Классификация запоминающих устройств

Запоминающие устройства можно классифицировать по целому ряду параметров и признаков.

По типу обращения ЗУ делятся на устройства, допускающие как чтение, так и запись информации, и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), предназначенные только для чтения записанных в них данных (ROM - read only memory). ЗУ первого типа используются в процессе работы процессора для хранения выполняемых программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. В ПЗУ, как правило, хранятся системные программы, необходимые для запуска компьютера в работу, а также константы. В некоторых ЭВМ, предназначенных, например, для работы в системах управления по одним и тем же неизменяемым алгоритмам, все программное обеспечение может храниться в ПЗУ.

В ЗУ с произвольным доступом (RAM - random access memory) время доступа не зависит от места расположения участка памяти (например, ОЗУ).

В ЗУ с прямым (циклическим) доступом благодаря непрерывному вращению носителя информации (например, магнитный диск - МД) возможность обращения к некоторому участку носителя циклически повторяется. Время доступа здесь зависит от взаимного расположения этого участка и головок чтения/записи и во многом определяется скоростью вращения носителя.

В ЗУ с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое нужное положение напротив головок чтения/записи (например, магнитные ленты - МЛ).

Оперативная память - устройство, которое служит для хранения информации (программ, исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в ходе выполнения программы в процессоре. В настоящее время объем ОП персональных компьютеров составляет несколько сотен мегабайт. Оперативная память работает на частоте системной шины и требует 6-8 циклов синхронизации шины для обращения к ней. Так, при частоте работы системной шины 100 МГц (при этом период равен 10 нс) время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.

Для заполнения пробела между РП и ОП по объему и времени обращения в настоящее время используется кэш-память, которая организована как более быстродействующая (и, следовательно, более дорогая) статическая оперативная память со специальным механизмом записи и считывания информации и предназначена для хранения информации, наиболее часто используемой при работе программы. Как правило, часть кэш-памяти располагается непосредственно на кристалле микропроцессора (внутренний кэш), а часть - вне его (внешняя кэш-память). Кэш-память программно недоступна. Для обращения к ней используются аппаратные средства процессора и компьютера.

Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках, магнитных лентах. Емкость дисковой памяти достигает десятков гигабайт при времени обращения менее 1 мкс. Магнитные ленты вследствие своего малого быстродействия и большой емкости используются в настоящее время в основном только как устройства резервного копирования данных, обращение к которым происходит редко, а может быть и никогда. Время обращения для них может достигать нескольких десятков секунд.

Триггеры

Триггер -- класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам -- их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно биполярные и полевые транзисторы), в прошлом -- электромагнитные реле, электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различныепрограммируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Используются, в основном, в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: регистров, счётчиков, процессоров, ОЗУ.

Триггеры подразделяются на две большие группы -- динамические и статические. Названы они так по способу представления выходной информации.

Динамический триггер представляет собой управляемый генератор, одно из состояний которого (единичное) характеризуется наличием на выходе непрерывной последовательности импульсов определённой частоты, а другое (нулевое) -- отсутствием выходных импульсов. Смена состояний производится внешними импульсами. Динамические триггеры в настоящее время используются редко.

К статическим триггерам относят устройства, каждое состояние которых характеризуется неизменными уровнями выходного напряжения (выходными потенциалами): высоким -- близким к напряжению питания и низким -- около нуля. Статические триггеры по способу представления выходной информации часто называют потенциальными.

Статические (потенциальные) триггеры, в свою очередь, подразделяются на две неравные по практическому значению группы -- симметричные и несимметричные триггеры. Оба класса реализуются на двухкаскадном двухинверторном усилителе с положительной обратной связью, а названием своим они обязаны способам организации внутренних электрических связей между элементами схемы.

Сумматор -- устройство, преобразующее информационные сигналы (аналоговые или цифровые) в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов

* 1645 год -- Паскаль создал механическую суммирующую машину «Паскалину» с механическим десятичным сумматором

* 1673 год -- Лейбниц создал механический калькулятор, в котором был механический десятичный сумматор на механическом счётчике

В зависимости от формы представления информации различают сумматоры аналоговые и цифровые.

По способу реализации

* механические

* электромеханические

* электронные

* пневматические

По принципу действия

* на счётчиках, считающие количества импульсов в операндах

* функциональные, выдающие на выходах значения логической функции суммы по модулю и логической функции разряда переноса:

* каждый раз вычисляющие функцию разряда суммы по модулю и функцию разряда переноса

* с таблицами заранее вычисленных значений функции разряда суммы по модулю и значений функции разряда переноса записанных в:

* ПЗУ, ППЗУ (аппаратные) или

* ОЗУ (аппаратные и программные)

По архитектуре

* четвертьсумматоры -- бинарные (двухоперандные) сумматоры по модулю без разряда переноса, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и одним выходом, на котором реализуется их арифметическая сумма по модулю;

* полусумматоры -- бинарные (двухоперандные) сумматоры по модулю с разрядом переноса, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма по модулю в данном разряде, а на другом -- перенос в следующий (старший разряд);

* полные сумматоры -- тринарные (трёхоперандные) сумматоры по модулю с разрядом переноса, характеризующиеся наличием трёх входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма по модулю в данном разряде, а на другом -- перенос в следующий (более старший разряд). Такие сумматоры изначально ориентированы только на показательные позиционные системы счисления.

По способу действия

* Последовательные (одноразрядные), в которых обработка разрядов чисел ведётся поочерёдно, разряд за разрядом, на одном и том же одноразрядном оборудовании;

* Параллельнопоследовательные, в которых одновременно параллельно складываются по несколько разрядов, объединённых в группы;

* Параллельные (многоразрядные), в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждого разряда имеется своё оборудование;

По способу организации переноса

* С последовательным переносом

* С ускоренным групповым переносом

* Сумматор с условным сложением

* С переключением переноса

* С сохранением переноса

Микропроцемссор -- процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем. Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверxбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

В космических программах полётов к Луне «Аполлон» в 1960-х и 1970-х годов, все бортовые вычисления для первичного наведения, навигации и управления были предоставлены небольшими специализированными процессорами бортового компьютера Аполлон.

С начала 1970-х годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев.

Микропроцессорное система (МПС) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определённого набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Генератор тактовых временной интервал, который является единицей измерения (Шергином) продолжительности выполнения команды. Чем выше частота, тем при прочих равных условиях более быстродействующей является МПС. Интерфейсы ввода и вывода -- устройства сопряжения МПС с блоками ввода и вывода информации. Для измерительных приборов характерны устройства ввода в виде кнопочного пульта и измерительных преобразователей (АЦП, датчиков, блоки ввода цифровой информации). Устройства вывода обычно представляют цифровые табло, графический экран (дисплей), внешние устройства сопряжения с измерительной системой. Все блоки МПС связаны между собой шинами передачи цифровой информации. В МПС используют магистральный принцип связи, при котором блоки обмениваются информацией по единой шине данных. Количество линий в шине данных обычно соответствует разрядности МПС (количеству бит в слове данных). Шина адреса применяется для указания направления передачи данных -- по ней передаётся адрес ячейки памяти или блока ввода-вывода, которые получают или передают информацию в данный момент. Шина управления служит для передачи сигналов, синхронизирующих всю работу МПС.

Аналоговые интегральные схемы характеризуются:

* коэффициентом передачи или усиления;

* входным и выходным сопротивлением;

* уровнем нелинейных искажений;

* выходной мощностью;

* полосой частот и др.

По конструктивно-технологическому исполнению ИС подразделяются на группы, которым присвоены следующие обозначения (ГОСТ 18682-73 и ОСТ 11013.915-80):

* 1, 5, 6, 7 -- полупроводниковые;

* 2, 4, 8 -- гибридные;

* 3 -- прочие (пленочные, вакуумные, керамические и т.д.).

Полупроводниковой ИС называют ИС, элементы которой выполнены в объеме или на поверхности полупроводникового материала.

Пленочными называют ИС, элементы которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрического материала.

Тонкопленочной называют ИС с толщиной пленки до 1 мкм. Их наносят обычно методом термовакуумного осаждения или катодного распыления.

Толстопленочной называют ИС, если толщина пленки более 1 мкм.

Гибридной называют ИС, часть элементов которой имеет самостоятельное конструктивное исполнение (дискретные или навесные элементы), а проводники выполнены по пленочной технологии.

Степень интеграции ИС определяется числом элементов, входящих в состав одного изделия, и определяется как

К=lg(N),

где N -- число эквивалентных элементов.

Различают интегральные схемы:

МИС - малой степени интеграции (К = 1, 2);

СИС - средней степени интеграции (К = 3, 4);

СБИС - сверхбольшой степени интеграции (К = 5, 6, 7);

УБИС - ультрабольшой степени интеграции (К > 7).

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) -- усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем.

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

* U+ (к нему подключается VS+)

* 0

* U- (к нему подключается VS-)

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U+ = 1,5…15 В, U- = -15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется[2]вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

* Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи Gopenloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).

* Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 106 на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.

* Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Ламзер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредствомвынужденного излучения»), или оптимческий квамнтовый генерамтор -- это устройство, преобразующее энергиюнакачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического,поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, напримерлазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров нанеодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях наукии техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в областиуправляемого термоядерного синтеза.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

* активной (рабочей) среды;

* системы накачки (источник энергии);

* оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу

Размещено на Allbest.ru