книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Поперечное магнитное поле уменьшает полный коэффициент усиления;; продольное магнитное поле наоборот направляет носители тока к коллектору^ вследствие этого уменьшается роль поверхностной рекомбинации и возрастает коэффициент усиления транзистора.

Анализируя зависимости физических параметров транзисторов Р, р, L, у и т. д. от величины и направления магнитного поля, можно сделать следую­ щие выводы.

1.Коэффициент усиления по току может измениться в магнитном поле только за счет изменения коэффициента переноса носителей заряда в базе ß'.

2.Изменение эффективности эмиттера и коэффициента усиления коллек­

тора очень незначительно.

3.Коэффициент переноса ß' в поперечном магнитном поле уменьшается^ преимущественно за счет увеличения роли поверхностной рекомбинации.

4.В продольном магнитном поле коэффициент переноса увеличивается; так как магнитное поле препятствует движению носителей к поверхности полу­ проводника (площадь сечения рекомбинации падает).

5.Уменьшение коэффициента усиления по току в поперечном магнитном поле напряженностью /7^=7 ■ІО3 Э в схеме с общим эмиттером для сплавиыятранзисторов достигает 30%.

6.Увеличение коэффициента усиления в продольном магнитном поле

свойства диффузионных транзисторов магнитное поле заметного влияния не оказывает. При разработке аппаратуры с полупроводниковыми приборами, предназначенной для эксплуатации в магнитном поле напряженностью- Н ^ 5 тыс. Э, можно не учитывать изменеиия параметров, обусловленные воз­ действием магнитного поля, так как эти изменения незначительны.

В л и я н и е м а г н и т н о г о п о л я н а э л е к т р и ч е с к у ю п р о ч н о с т ь п о л у п р о в о д н и к о в ы х п р и б о р о в

«Вторичный» пробой в транзисторах связан с поперечной термической1 нестабильностью и неоднородностью распределения тока, а следовательно,

итемпературой по сечению перехода.

Врезультате наличия радиальной составляющей базового тока или де­ фектов структуры кристалла возможна концентрация тока в довольно малых объемах п образование так называемых «каналов» тока и последующего теплового «вторичного» локального пробоя. Энергия; необходимая для раз­ вития «вторичного» пробоя, выражается формулой

где U — напряжение лавинного пробоя;

/ — ток пробоя;

t3— время задержки, необходимое для возникновения в транзисторе «вто­ ричного» пробоя.

Установлено, что магнитное поле может способствовать или препятство­ вать развитию «вторичного» пробоя в зависимости от положения транзистора

в магнитном поле. Если направление магнитного поля перпендикулярно на­ правлению тока в канале пробоя, то время задержки t3 и соответственно кри­ тическая энергия «вторичного» пробоя £ |ір уменьшаются, т. е. магнитное поле способствует развитию «вторичного» пробоя. Поле, параллельное направлению тока в канале пробоя, задерживает развитие «вторичного» пробоя; ія п Екѵ увеличиваются.

Этот эффект можно объяснить взаимодействием магнитного поля с пото­ ком носителей заряда в канале пробоя, в результате которого диаметр канала тока при пробое может изменяться, а сам канал отклоняться в магнитном поле. В зависимости от взаимной ориентации канала тока пробоя н магнит­ ного поля происходит либо концентрация тока в канале, либо, наоборот, рас­ фокусировка линий тока в магнитном поле, вызывающая изменение критиче­

и мощности, следует располагать таким образом, чтобы направление магнит­

В л и я и II е м аг н и-т и о го п о л я на м е х-а н и ч е с к у ю п р о ч н о с т ь п о л у п р о в о д н и к о в ы х п р и б о р о в

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует так на-

^/ Я / sin ( Я / )

зываемая пондермоторная сила г = ---------—-------, величина и направление ко-

О

торой зависит от напряженности магнитного поля, силы тока, протекающего

шительное действие на те части соединительных проводников, которые нахо­ дятся внутри корпуса прибора. Особенно опасен механический резонанс, когда собственная частота колебаний выводов'совпадает с частотой колеба­ ний тока.

Для избежания обрыва выводов и катастрофических отказов приборов, транзисторы, работающие в магнитных" полях, напряженность которых пре­ вышает 104 Э, следует располагать так, чтобы их внутренние выводы были параллельны, вектору напряженности магнитного поля. Кроме того, чтобы избежать механического резонанса, необходимо соблюдать условие Ио^со, где Шо — собственная частота колебаний выводов; со — частота колебании тока, протекающего через проводник.

§ 16. 7. ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Нередко на практике аппаратура на полупроводниковых при­ борах страдает больше при хранении, чем при эксплуатации. Это обусловлено тем, что' хранение зачастую бывает продолжи­ тельным и не всегда в наилучших условиях. Повреждения, воз­ никшие в процессе хранения, усугубляются, когда сырость соче­

243

Г л а в а XVII

КОНСТРУИРОВАНИЕ АППАРАТУРЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

МИКРОЭЛЕМЕНТАХ. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Общие сведения

Основные требования, предъявляемые к современной электро­ нике,— повышение ее надежности, снижение веса, габаритов и потребляемой энергии. Для решения этих задач, в первую оче­ редь, необходимо было резко уменьшить габариты деталей, раз­ работать новые принципы конструирования аппаратуры и со­ здать схемы, работающие при более низких уровнях сигнала.

Основные направления в микроэлектронике — микроминиа­ тюризация, основанная на дискретных элементах. Схемы собирают на обычных элементах в миниатюрном исполнении: сопротивления, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзи­ сторы и другие детали. Это модульный и микромодульный спо­ собы конструирования аппаратуры:

—гибридные схемы, состоящие из тонкопленочных пассив­ ных и дискретных активных элементов. Пассивные элементы на­ пылением, электрическим осаждением и другими методами нано­ сят на отдельную подложку, являющуюся лишь механической опорой. Далее на готовую пассивную схему монтируют навесные активные полупроводниковые элементы, такие как диоды и тран­ зисторы.

—полупроводниковые интегральные схемы, в которых актив­ ные элементы являются частью единого полупроводникового кри­ сталла. Такие схемы носят еще название полупроводниковых или моиолнтных микросхем:

В ряде случаев интегральная схема представляет собой моно­ литную структуру, в которой полупроводниковые интегральные схемы сочетаются с тонкопленочными элементами. Такие схемы получили название совмещенных.

Другой разновидностью интегральных схем являются функ­ циональные схемы. Они изготовляются в одном кристалле полу­ проводника и выполняют функции законченных электронных схем. В отличие от других микросхем, в функциональных схемах нельзя выделить один элемент из остальных.

Для количественной оценки размеров, объема и веса аппара­ туры, собранной различными методами из микроэлектронных деталей, вводится единица сравнения, называемая плотностью упаковки элементов. Эта единица показывает, какое число дета­ лей (пли элементов) приходится на единицу объема, обычно — на кубический сантиметр.

Табл. 17.1 показывает увеличение плотности упаковки эле­ ментов электронной аппаратуры для различных методов микроминиатюризации.

245

Если для навесного монтажа .в одном кубическом сантиметре содержится в среднем 2—3 детали, при микромодульном конст­ руировании эта цифра возрастает до нескольких десятков в куби­ ческом сантиметре, для тонкопленочных схем она составляет уже сотни деталей, но рекорд держат твердые схемы. Здесь плот­

можно, ионные пучки, сфокусированные из паров того или иного чистого вещества; перемещаясь по подложке, они будут остав­ лять след в виде тонких пленок собственных молекул.

Таким образом, микроэлектроника позволяет автоматизиро­ вать производство, а следовательно, удешевлять радиоэлектрон­ ные изделия.

В связи с тем, что в тонкопленочных твердых схемах число паяных соединений аведено к минимуму, значительно увеличи­ вается надежность их в работе.

Проблемой микроминиатюризации является и отвод тепла, требующий создания новых принципов построения схем, рассчи­ танных на работу в микрорежиме.

§ 17.1. МОДУЛИ

Конструирование модулей радиоэлектронной аппаратуры было вызвано стремлением увеличения плотности монтажа на единицу объема, автоматизацией процесса производства при сборке аппаратуры и вообще большим объемом электроэлемен­ тов в данном отдельном виде аппаратуры.

Модуль — отдельный конструктивно оформленный узел, в ко­ торый входят отдельные электрические схемы, выполняющие определенные функции.

Примером таких схем могут быть: усилители, генераторы, блокинг-генераторы, триггеры, феррит-транзисторные схемы и другие функционально самостоятельные узлы блоков. Модули могут объединять несколько указанных схем.

При изготовлении модулей методом печатного монтажа со­ единительные проводники наносят на изоляционные основания, травлением фольги на плате или вжиганием металла в керамику с одной или двух сторон.

Печатный монтаж обладает рядом преимуществ по сравне­ нию с проволочным. К их числу, в первую очередь, следует отне-

246

сти значительное снижение веса и габаритов модулей и повыше­ ние их надежности; возможность механизированного изготовле­ ния печатных плат, а также увеличение механической прочности и стабильности параметров модулей.

Обычно применяют платы с одно- и двусторонним печатным монтажом. При одностороннем печатном монтаже элементы укладывают на печатной плате с одной стороны, а печатные полупроводники — с другой.

Вэтом случае осуществляется пайка одновременно всех эле­ ментов. Двусторонний печатный монтаж применяют, когда тре­ буется большое количество пересечений печатных проводников. Монтаж осуществляется с обеих сторон платы, а переход провод­ ников с одной стороны на другую — с помощью отверстий с ме­ таллизированными стенками.

Вряде случаев применяют гибкие печатные схемы, которые могут быть также одно- и двусторонними. Гибкие платы могут изгибаться в соответствии с конфигурацией блока и тем самым позволяют повысить плотность монтажа. Изготовляют их из ди­ электрика толщиной 0,5 мм, после сборки для увеличения проч­

ности их заливают смолами.

В последнее время начали пользоваться многослойными (до шести слоев) печатными платами. Эти платы изготовляют мето­ дом травления медной фольги на стекловолокнистом основании, пропитанном эпоксидной смолой. Каждый слой изолируют от остальных и прессуют при нагревании в жесткую плату, в кото­ рой предусмотрены выводы для слоя.

Благодаря многослойному печатному монтажу получается более плотное размещение соединительных проводников и более широкие допуски на расположение деталей.

Для обеспечения прочного паяного соединения и достаточной адгезии с пластиной выводные отверстия должны быть хорошо залужены, между выводами и проводниками должен быть доста­ точный изолирующий зазор.

Печатные платы применяют для объединения дискретных элементов в модули, модулей в узлы, а также для объединения разъемов, соединяющих узлы. Особенностью модулей является то, что они не привязаны к определенной конструкции и могут применяться в любой радиоэлектронной аппаратуре.

Конструирование на основе модулей создает условия не только для унификации узлов и блоков, но и аппаратуры в цс лом. Конструкции модулей весьма различны, но наиболее рас­ пространены два основных вида: объемная (трехмерная) и пло­ ская (двумерная).

Плоская конструкция

Плоская конструкция модулей представляет собой пластину, изготовляемую из гетинакса, стеклотекстолита или другого изо-

247

ляцпониого материала, на котором с одной или двух сторон (пре­ имущественно с одной стороны) крепят электроэлементы, соеди­ ненные между собой электрически с помощью печатного или обычного (проводом) монтажа.

На рис. 17. 1 показан образец плоского модуля, выполненный

выводами и контактными участками этих выводов. Поэтому не­ посредственное соединение элементов может существенно повы­ сить эффективность компоновки. Для этого элементы, имеющие цилиндрическую форму, помещают в специальные углубления платы, а элементы пластинчатой формы закрепляют непосред­ ственно на подложке.

248

Активные элементы устанавливают в отверстия, сделанные в подложке. Выводы транзисторов и диодов припаивают непо­ средственно к выводным площадкам на подложке. Обычно при­ меняют корпусные активные элементы, однако можно применять

ибескорпусные.

Вэтом случае модули должны быть обязательно загермети­

зированы.

Элементы с большим выделением тепла необходимо распо­ лагать ближе к периферии платы. Электроэлементы (сопротивле­ ния, конденсаторы, маломощные диоды и др.) крепят к плате за выводы, которые выводят на одну сторону панелей и припаи­ вают к токоведущим частям схемы.

Конструктивно законченный плоский модуль должен иметь выводы для соединения с другими частями схемы и источниками питания.

В сложных миогоэлементных электронных устройствах для увеличения надежности выводы надо соединять пайкой или сваркой.

Допустимо в некоторых случаях соединение выводов под за­ жим винтом или скользящий контакт при условии надежности электрического контакта в течение времени гарантийной работы аппаратуры. В некоторых случаях выводы элементов соединяют электроннолучевой сваркой.

Отдельные плоские модули можно компоновать параллельно друг другу и последовательно один над другим. Иногда модули располагают на одной общей плате с плоскостью в один ряд, таю называемым копланарным способом.

Соединение модулей с выводными отверстиями этой платы выполняют припайкой проволочных выводов. Из отдельных моду­ лей собираются блоки или панели, которые, в свою очередь, вхо­ дят в стойки или шкафы, а последние объединяются в комплекс стоек или шкафов.

Крепление электроэлементов в модуле и модулей в блоке должно быть таким, чтобы обеспечить все механические и кли­ матические требования на полупроводниковые приборы.

Наиболее перспективен для плоского монтажа метод трафаре­ тов. Для получения проводников и электродов конденсаторов на керамике применяют металлизацию вжигашіем, а в качестве резисторов служат нанесенные на подложку стойкие резистивные составы. Подложка одновременно служит и диэлектриком кон­ денсатора. Для получения различных номиналов конденсатора применяют локальные области с разной толщиной диэлектрика либо с различными значениями диэлектрической проницаемости.

Примером плоских модулей являются блоки-переходники УП1-1 и УП2-1 (рис. 17.2), предназначенные для использования в схемах УНЧ при конструировании магнитофонов, звуковых генераторов, микрофонных усилителей и других устройств быто­ вой аппаратуры.

Блоки-переходники УП1-1 и УП2-1 представляют собой уси­ лительные схемы на транзисторах с непосредственной связью (рис. 17.3), которые позволяют применять блоки-переходники

в различной аппаратуре в качестве усилителей переменного и постоянного тока. Схемы с непосредственной связью транзисто­ ров выгодно отличаются от обычных схем с емкостной или транс-

Рис. 17.3. Принципиальные схемы блоков модулей УПІ-1 и УП2-1

форматорной связью. Они содержат меньшее количество дета­ лей, имеют более равномерную полосу пропускания, больший диапазон рабочих температур.

250

Усилители с непосредственной связью легко настраиваются и мало чувствительны к изменению напряжения питания. Нели­ нейные искажения в них могут быть сведены до незначительной величины. Схемы блоков-переходников УП1-1 и УП2-2 соби­ раются на печатных платах. В качестве материала для печатных плат используют фольгированный стеклотекстолит СО-1. Для изготовления печатных плат используется метод фотолитогра­ фии, который позволяет получить достаточно большую точность воспроизведения рисунка платы, а также обеспечивает высокую производительность труда. Собранную и проверенную плату блока вставляют в пластмассовый корпус и закрывают крышкой. При выходе из строя того или иного элемента схемы модуля можно открыть крышку и извлечь плату блока из корпуса для обнаружения неисправности и ремонта. На рис. 17.4 показаны блоки-переходники УП1-1 и УП2-1 в разрезе.

Небольшие размеры и вес блоков-переходников позволяют широко использовать их в портативной радиолюбительской аппаратуре.

Основные технические данные УП1-1, УП2-1

Т и п ы б л о к о в - п е р е х о д н и к о в

П р и м е р ы п р и м е н е н и я б л о к о в - п е р е х о д н и к о в УП1-1 и УП2-1

Микрофонный усилитель для' радиоприемника, схема кото­ рого приведена на рис. 17.5, предназначен для применения с радиоприемником или радиолой и может быть использован для усиления голоса лектора, для озвучивания концерта художест­ венной самодеятельности или в качестве одностороннего дистан­ ционного переговорного устройства. '

В качестве микрофона может быть применен любой низкоом­ ный динамический микрофон, рассчитанный на сопротивление нагрузки в 250—500 Ом. Электролитические конденсаторы С1