Комп’ютерна електроніка (стр. 1 из 14)
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА
Факультет комп’ютерних наук
Кафедра комп’ютерних систем та мереж
Курсова робота
Комп’ютерна електроніка
Вступ. Етапи розвитку електроніки
Класифікація електронних пристроїв
Електроніка – галузь науки, яка займається дослідженням фізичних процесів, що відбуваються в різних середовищах при протіканні струму, і, як галузь техніки, займається розробкою електронних приладів на основі цих явищ. Розрізняють фізичну і технічну електроніку.
На основі застосувань електроніки розвилась галузь: мікроелектроніка – галузь, яка займається технічними проблемами реалізації електронних приладів у вигляді інтегральних мікросхем, - пристроїв, що складаються з окремих дискретних елементів (діодів, транзисторів) виготовлених в одному технологічному циклі і розміщуються на спільній несучій конструкції в спільному корпусі.
Електроніку поділяють на аналогову і цифрову.
Під аналоговою розуміють елементи, пристрої і системи, які забезпечують обробку електричних сигналів, що змінюються за законами неперервної функції, тобто в різні моменти часу можуть приймати довільні значення напруги чи струму.
В цифровій елементи займаються обробкою сигналів, що змінюються дискретно. Щоб забезпечити дискретну зміну сигналу використовують методи квантування сигналів за часом, за рівнем або одночасно.
В залежності від елементної бази, яка використовується в електронних пристроях, можна виділити кілька етапів розвитку електроніки:
1. 1904 – 1950 рр.: електронно-вакуумні лампи. Використовуються електровакуумні та газорозрядні пристрої.
2. 1950 – 1960 рр.: застосування дискретних напівпровідникових приладів. 1947р. – транзисторний ефект у напівпровідникових кристалах.
3. 1960 – 1980 рр.: застосування інтегральних схем і мікрозборок. В 60х роках – 2 принципи виготовлення технічних пристроїв:
· Груповий метод;
· Планарна технологія.
Рівень інтеграції k=lg N визначається кількістю елементів, що розміщені на одному кристалі.
4. 1980 – 2005 рр.: розробка і застосування великих і надвеликих інтегральних схем (ВІС, НВІС, ННВІС). Ці великі схеми, що утримують більше 1000 елементів на 1 кристал відносять до 4 і 5 рівня інтеграції.
5. сучасний етап розвитку характеризується застосуванням функціональних електронних пристроїв. Функціональними називають пристрої, в яких для перетворення електронних сигналів використовують не електронні пристрої, а певні фізичні явища, що забезпечують обробку фізичних чи інформаційних сигналів. Розрізняють магнітоелектричні, оптоелектричні, акустоелектричні, кріоелектричні, біоелектричні та інші функціональні схеми.
Сучасний розвиток електроніки зумовлений досягненням в технології, таким як молекулярно-променева технологія та дослідження наноструктурованих об’єктів в тому числі спінових ефектів, тому сучасні прилади називаються наноелектричними.
Ці методи дозволяють створювати електронні елементи інтегральних схем за 0.13 – 0.11 мікронною технологією.
Електронні пристрої для цифрової електроніки повинні працювати з дискретними сигналами, які можна одержати кількома методами квантування: по часу, рівню, по часу і рівню. За функціональними ознаками їх поділяють на імпульсні, релейні та цифрові.
Для характеристики імпульсних сигналів використовують наступні параметри: амплітуда імпульсу Um, тривалість імпульсу ti, тривалість паузи tп, тривалість фронту імпульсу tф, тривалість спаду tсп, період імпульсу T= ti + tп, коефіцієнт заповнення імпульсу
, шпаруватість імпульсу 
.Сигнали, в яких q = 2, називають меандром.
За реальні значення ti вибирають відстань від значення 0.1Um до меншого значення за величину 0.1Um.
Фронт імпульсу – час, за який досягається значення від 0.1Um до 0.9Um, спад імпульсу – час від 0.9Um до 0.1Um.
Крім імпульсного виділяють також функції релейного типу та цифрового. Крім того процес перетворення аналогового сигналу в дискретний називають ще модуляцією і можна його описати з допомогою сигналів амплітудно-, широтно- та фазо-імпульсної модуляції.
При амплітудно-імпульсній модуляції дискретизацію сигналу проводять по часу. Реальній величині ставлять у відповідність певне значення амплітуди сигналу, яке він приймає в моменти квантування.
При широтно-імпульсному сигналі амплітуда залишається сталою, а змінюється тільки тривалість відповідного квантуючого імпульсу.
ФІМ – модуляція релейного типу. Частота появи сигналів змінюється і залежить від амплітуди.
Ці методи перетворення аналогових сигналів у дискретні використовуються для цифрової обробки та аналізу інформаційних повідомлень і забезпечуються з допомогою пристроїв, що називаються аналого-цифровими перетворювачами.
Перевагою аналогового представлення сигналу є вища швидкодія і вища точність відтворення інформації. Разом з тим цифрові пристрої, володіючи меншою швидкодією, дозволяють підвищити точність обробки сигналів за рахунок тактової частоти та збільшення об'ємів запам'ятовуючих пристроїв, що дозволяють організовувати паралельну обробку інформації.
Обидві системи базуються на однаковій елементній базі, тобто напівпровідникових приладах та інтегральних схемах. Відрізняються режимами ввімкнення і роботи цих пристроїв.
1. Елементна база аналогової та цифрової електроніки
1.1 Фізичні основи будови напівпровідникових приладів
Напівпровідникові прилади виготовляються на основі напівпровідників різного типу провідності. Основою всіх приладів є контакти матеріалів n- та p-типу провідності або контакти метал-напівпровідник, що володіють односторонніми провідностями.
Принцип формування активних структур можна пояснити з допомогою зонних діаграм. Як відомо зонна структура утворюється внаслідок розщеплення валентних рівнів та рівнів провідності при конденсації атомів і утворенні конденсованих середовищ або твердих тіл.
На шкалі енергій за рівень валентної зони приймають найвище значення енергії, якою володіє електрон, що взаємодіє зі своїм ядром атома і приймає участь в утворенні зв'язку.
Зона провідності знизу обмежена рівнем енергії, мінімальне значення якої необхідне носію заряду, щоб подолати сили потенціальної взаємодії з ядром атома. Процес набування носієм заряду енергії, достатньої для переходу з валентного на рівень провідності, називається генерацією електронно-діркової пари. При цьому умовно вважають, що на найвищих валентних рівнях утворюється вакансія в хімічному зв'язку, що може забезпечити протікання струму додатно заряджених носіїв, а на рівні провідності – вільних електронів.
Середнє значення енергії, що відповідає цьому процесу генерації, називається рівнем Фермі, який розміщується посередині забороненої зони Eg у власному напівпровіднику. Наявність в основному матеріалі (Si, Ge) домішок називають процесом легування, а напівпровідник – домішковим. Внесення атомів з V групи супроводжується збільшенням носіїв у зоні провідності і зсувом рівня Фермі вище середини забороненої зони. Такі напівпровідники називають матеріалами n-типу. При наявності акцепторів одержуємо матеріали р-типу і зсув рівня Фермі до валентної зони. Сильно леговані матеріали, в яких рівень Фермі зміщений, називаються виродженими.
1.2 Напівпровідникові діоди
Основою напівпровідникових діодів є р-n переходи та контакти метал-напівпровідник. В світлочутливих приладах – гетеропереходи, складаються з матеріалів одного типу провідності, але різного рівня легування.
Електронним р-n переходом називають границю розділу двох напівпровідників різного типу провідності збіднену основними носіями заряду.
При формуванні електронного переходу внаслідок наявності незаповнених хімічних зв'язків в матеріалах р-типу і надлишку носіїв, незв'язаних у хімічних зв'язках в n-типі, електрони з n-області дифундують в р-область, заповнюючи ковалентні зв'язки. В приконтактних областях утворюються нескомпенсовані об'ємні заряди, має місце внутрішнє електричне поле. Це поле протидіятиме протіканню носіїв через границю розділу в наступний момент часу, і воно формує контактну різницю потенціалів.
На зонній діаграмі спостерігається перепад потенціалу n та р областей. Прикладання зовнішньої напруги приводить до порушення рівноважного стану і зменшення контактної різниці потенціалів, якщо зовнішнє поле протидіє внутрішньому (до р++, до n--), і збільшення контактної різниці потенціалів, якщо зовнішнє поле спів напрямлене з внутрішнім.
Струм через р-n перехід описується співвідношенням:
,де IS – струм теплової генерації носіїв. Це незначний фоновий струм високоенергетичних носіїв, який має місце при додатній та при від'ємній напрузі прикладеній до переходу.
Його називають струмом насичення зворотної вітки ВАХ. Це видно з ВАХ, коли U<0, то е<<1, тобто I = IS.
При U>0, e>>1, струм зростає за логарифмічним законом.
При значних зворотних напругах можливе тонелювання носіїв із зони провідності у валентну зону р-кристалу. Це явище називають пробоєм. Воно супроводжується значним зростанням зворотного струму.