Посвящение в радиоэлектронику

Этим занимаются помимо промышленности и радиолюбители. Из весьма скромного набора основных «блочков-кирпичиков», имеющихся в их распоряжении, они конструируют все, что угодно, — от электронного дверного звонка, исполняющего веселую мелодию, до сложных синтезаторов современных вокально-инструментальных ансамблей, от детской игры «Первоклассница», умеющей складывать 1 + 1 = …, до персональной ЭВМ. способной сыграть с вами партию в шахматы или рассчитать, на какой день недели придется первое апреля в 3995 году (хотя эту задачу может решить и микрокалькулятор, собранный из меньшего числа тех же блочков).

Так что же это за «блочки-кирпичики»? Чаще всего — серийные интегральные микросхемы. Некоторые из них и по форме напоминают маленький пластмассовый кирпичик с двумя гребенками выводов. Все микросхемы делят на два больших класса — аналоговые и цифровые. Названия соответствуют аналоговым и цифровым сигналам, для обработки которых предназначены эти микросхемы.

К аналоговым относятся усилители, генераторы, преобразователи сигналов, к цифровым — логические элементы, триггеры, счетчики, шифраторы и дешифраторы, регистры сдвига, устройства памяти, микропроцессоры.

Стандартный корпус интегральной микросхемы.

Что находится внутри радиоэлектронного «кирпичика»

Сырьем для электронных «кирпичиков» может служить обычный песок. Не верите? Песок представляет собой окись кремния SiО₂. А кремний является основой для производства подавляющего большинства полупроводниковых элементов электроники. Разумеется, нужны и другие материалы: пластмасса, керамика, алюминий, серебро и даже золото. Разрезать аккуратно и точно кремниевую пластинку лучше всего алмазной пилой.

Но вернемся к окиси кремния. Кремний из окиси можно восстановить химической переработкой. Чистый кремний относится к классу полупроводников. Сейчас нам предстоит решить, что такое полупроводник и чем он отличается от проводника или диэлектрика.

Электрический проводник — это вещество, оказывающее малое сопротивление протекающему через него току. Электрический ток, в свою очередь, есть направленное движение электрических зарядов. Значит, в проводнике должны быть свободные заряды, которые могут легко передвигаться в любом направлении. Все металлы — хорошие проводники. Мы уже говорили (помните киплинговскую кошку, которая «гуляла сама по себе»?) о том, что в металлах внешние электроны атомов становятся свободными, когда атомы объединяются в кристаллическую решетку. Свободные электроны образуют так называемый электронный газ, заполняющий весь объем металла. Если в проводнике течет ток, электроны перемещаются преимущественно в одном направлении. Если же тока нет, электроны все равно движутся, но это движение хаотическое, тепловое. Оно создает шум — небольшое, случайным образом изменяющееся напряжение на выводах проводника или полупроводникового элемента.

Из самого названия «полупроводник» ясно, что он еще «не дорос» до настоящего проводника и, следовательно, проводит ток гораздо хуже. Свободных электронов в полупроводнике мало, поскольку почти все электроны как бы привязаны к своим атомам. Правда, при сильном нагреве тепловое движение становится интенсивнее и некоторые из электронов отрываются от своих атомов, становясь свободными. Проводимость вещества при этом увеличивается. Вот почему полупроводниковые приборы очень боятся перегрева — проводимость может возрасти настолько, что ток в полупроводнике резко увеличится и наступит так называемый тепловой пробой. Чтобы не утомить вас, приведу лишь несколько цифр.

Удельное сопротивление вещества величина, обратная проводимости, — измеряется в омах на метр (Ом·м). Это сопротивление бруска — вещества сечением 1 м² и длиной 1 м. Вот это брусочек! Но что поделаешь, в международной системе единиц СИ единицей длины служит метр. Ну так вот: сопротивление медного бруска составляет всего 0,017·10^-6 Ом. А сопротивление бруска тех же размеров, изготовленного из такого типичного диэлектрика, как стекло, равно 5·10³ Ом, т. е. на двадцать один порядок (10²¹) больше! Удельное сопротивление полупроводников находится где-то между этими крайними значениями. Дать конкретные величины трудно, они зависят от вида вещества, его чистоты и многих других факторов.