Электричество шаг за шагом
- Автор: Сворень Рудольф Анатольевич
- Год: 2019
- Язык: русский
- Год: "ДМК Пресс"
- ISBN: 978-5-97060-604-9
- Жанр: Детское образовательние
Электронная книга - «Электричество шаг за шагом». Краткое содержание книги:
Используя 400 специально разработанных иллюстраций, автор рассказывает об истории изучения электричества, о сложившихся основных системах постоянного и переменного тока и о той важной роли, которая досталась электричеству в энергетике нашего мира.
Рудольф Анатольевич Сворень — автор многих популярных книг о физике и электронике, известный научный журналист, радиоинженер и кандидат педагогических наук, много лет проработавший в редакции журнала “Наука и жизнь” заместителем главного редактора.
Р-101. ПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ — ОТ ТРАНЗИСТОРА К МИКРОСХЕМЕ. Планарная технология была придумана и разработана для автоматизированного производства транзисторов, а спустя некоторое время без принципиальных изменений переведена на производство интегральных микросхем. Слово «планарная» происходит от латинского «планус» — «плоский» и напоминает, что исходная кремниевая пластина (на рисунке 1 показан очень маленький её участок) и детали изготовленных в ней транзисторов — тоже плоскости. На круглой пластине толщиной несколько миллиметров и диаметром 40–60 сантиметров в едином технологическом процессе формировали несколько десятков, а то и несколько сотен одинаковых транзисторов. Мы сейчас посмотрим, как методами планарной технологии в пластине создаётся какая-нибудь одна новая деталь, — все остальные делаются примерно так же.
Для начала кристалл (1) покрывают тонким светочувствительным слоем — фоторезистом (2). Затем фоторезист засвечивают через очень точно изготовленную маску (3) — через особый тёмный рисунок с маленькими прозрачными пятнышками. Через них происходит засветка тех мест, где должны появиться новые детали. После этого фоторезист обрабатывают проявителем и засвеченные участки удаляют — образуются окна, оставляющие доступ к кристаллу (4). Затем пластину помещают в вакуумную камеру, заполненную газом, который содержит нужную (например, донорную) примесь (5), и в итоге в кристалле получают две детали — с р- и n-проводимостью (6). Повторяя подобную процедуру с разными масками, можно получить не только транзисторы (7), но и расположенные в одном кристалле интегральные схемы, в которых 5–6 слоёв деталей, нередко связанных внешним токопроводящим покрытием.
Итак, полупроводниковый диод, как и вакуумный, проводит ток только в одну сторону и может использоваться как выпрямитель переменного тока. В электронике, как правило, нужны маломощные диоды, рассчитанные на миллиамперы и микроамперы. Но существуют очень мощные диоды, пропускающие ток в сотни и тысячи ампер, и их широко используют в энергетике.
С помощью примесей можно сформировать в германиевом или кремниевом кристаллике трёхэлектродный полупроводниковый прибор транзистор, он имеет трёхслойную структуру р-n-р или n-р-n (Р-100). Одна крайняя зона называется «эмиттер» (выбрасывающий заряды), другая — «коллектор» (собирающий заряды), а средняя зона называется «база», что отражает конструктивные особенности первых транзисторов.
Как и вакуумный триод, транзистор даёт возможность усиливать слабые сигналы. Управляющее напряжение действует между эмиттером и базой, оно управляет коллекторным током своими методами (Т-8), но, как говорится, важен результат — в коллекторной цепи появляется мощная копия слабого сигнала, действующего в базовой цепи. По принципу действия особенно сильно похожи на вакуумный триод очень распространённые полевые транзисторы, три их основные «детали» исток, сток и затвор совсем уже напоминают катод, анод и управляющую сетку усилительной электронной лампы. В частности, усиливаемый сигнал подаётся на затвор, а он, подобно управляющей сетке, своим электрическим полем управляет током, который протекает между истоком и стоком.
ВК-251. На этих трёх рисунках и семи последующих показаны важные этапы производства интегральных схем. Началом можно считать разработку, проверку и создание окончательного варианта электронной схемы, которую нужно получить (1). Затем разрабатывается топология — создание в кристалле участков с разной проводимостью, их размещение и соединение (2). Затем в большом размере создаются маски (3) — размещение отверстий, через которые в кристалл будут вводиться примеси.
Р-102. ОТ УСИЛЕНИЯ К УСИЛИТЕЛЮ. Так же как электронная лампа, транзистор обрастает резисторами, конденсаторами и другими деталями, превращаясь в усилительный каскад или иной схемный узел, работающий с электрическими сигналами. На рисунке некоторые схемы транзисторных усилителей. Первая из них (1) — типичный усилитель низкой частоты (НЧ), на вход которого поступает усиливаемый сигнал Uвх, а усиленный сигнал Uвых снимается с коллекторной нагрузки и через конденсатор передаётся дальше, скорее всего для дальнейшего усиления. С делителя напряжения R1R2 небольшая часть коллекторного напряжения Uк подаётся на базу в качестве начального смещения. Это нужно для того, чтобы диод эмиттер-база был открыт и входной сигнал Uвх мог бы легко поставлять заряды в базу. Следующий усилитель (2) — высокочастотный (ВЧ), это видно по нагрузке в виде катушки Lн без сердечника. Роль нагрузки может выполнять и колебательный контур LкCк (3), который конденсатором переменной ёмкости можно настраивать на частоту принимаемой станции. В усилителях промежуточной частоты супергетеродинных приёмников (Р-111) может быть многозвенный фильтр из нескольких контуров (4), частота настройки которых никогда не меняется. На следующей схеме (5) двухтактный усилитель НЧ, транзисторы которого Т1 и Т3 работают поочередно (это несколько напоминает двухполупериодный выпрямитель, Р-99) и снабжают мощным выходным сигналом громкоговоритель. Два сдвинутых по фазе на 180° входных напряжения для транзисторов Т1 и Т3 поступают от предыдущего каскада на транзисторе Т1, а конкретно с двух половинок вторичной обмотки трансформатора Тр1. Этот каскад усилителя называют «фазоинвертор», то есть фазовращатель. Можно использовать и более простой фазоинвертор, без трансформатора (6), — два противофазных напряжения Uвых1 и Uвых2 получают в нём на двух сопротивлениях нагрузки, одно из которых Rн1 включено в цепь коллектора, а другое Rн2 в цепь эмиттера.