Силовые микросхемы и полупроводниковые приборы для систем электропитания автомобилей
Система электропитания автомобиля состоит из аккумулятора и генераторной установки (рис. 3.89).
Рис. 3.90. Выходной транзистор регулятораГенератор автомобиля имеет трехфазную обмотку статора. Ротор имеет обмотку возбуждения. Для ее питания используется щеточный узел, аналогичный щеточному узлу коллекторного электродвигателя. Регулятор изменяет скважность выходных импульсов в зависимости от значения напряжения в бортовой сети автомобиля. Регулятор имеет мощный выходной транзисторный каскад, который подключается к обмотке возбуждения генератора.
Напряжение, вырабатываемое генератором, выпрямляется на внешних выпрямительно-ограничительных диодах Зенера.
При снижении напряжения, вырабатываемого генератором, скважность импульсов на выходе уменьшается (т.е. транзистор большее время находится во включенном состоянии). Это приводит к увеличению напряжения в бортовой сети. При увеличении напряжения наблюдается обратная картина.
Диапазон напряжений, в котором регулятор обеспечивает регулировку напряжения сети автомобиля, называется напряжением регулировки. При снижении напряжения сети ниже диапазона импульсы исчезают, и на транзисторе присутствует низкое постоянное напряжение. При превышении напряжения сети верхней границы диапазона регулировки транзистор переходит в закрытое состояние. Рабочая частота работы регулятора of your page —>
Полупроводниковые устройства для автомобилей
Кроме проводников и изоляторов имеются вещества, которые занимают промежуточное положение между ними и называются полупроводниками. Их сопротивление прохождению тока больше, чем проводников, но меньше, чем изоляторов. Полупроводниковые приборы изготавливают из полупроводниковых материалов, среди которых наибольшее распространение получили четырехвалентные элементы германий и кремний.
При введении в чистый полупроводниковый материал примеси пятивалентного вещества, например сурьмы или мышьяка, образуется избыток свободных электронов.
Свободные электроны в кристалле являются электронами проводимости, и если в полупроводнике действует электрическое поле, то свободные электроны движутся направленно, создавая в полупроводнике ток. Электропроводность полупроводника, обусловленная направленным движением свободных электронов, называется электронной проводимостью, или проводимостью типа п (от латинского слова «негатив» — отрицательный).
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
В атоме, потерявшем электрон, образуется свободное место— «дырка». На это место из соседнего атома может перейти валентный электрон, на месте которого возникает дырка. Таким образом, дырка подобно электрону будет блуждать по кристаллу. При наличии внешнего электрического поля возникает направленное движение дырок, противоположное движению электронов. Направленное движение дырок вызывает прохождение электрического тока. Подвижность дырок меньше подвижности электронов. Электропроводность полупроводника, возникающая за счет направленного движения дырок, называется дырочной проводимостью или проводимостью типа р (от латинского слова «позитив» — положительный).
В полупроводнике типа п электроны называют основными носителями тока, а дырки — неосновными. В полупроводнике типа р дырки относят к основным носителям, а электроны — к неосновным.
Таким образом, полупроводниковым диодом (электрическим вентилем) называется прибор, обладающий односторонней проводимостью и имеющий один электронно-дырочный (р—п) переход и два вывода для подключения в цепь.
В электрооборудовании автомобилей диоды нашли широкое применение для выпрямления переменного тока генератора.
Рис. 1. Полупроводниковые приборы:
1 —пластина германия с проводником типа; 2 — индий, вплавленный в пластину германия; 3 — область с проводимостью типа р; 4. 5 — вы воды (анод и катод соответственно); 6 — ширина перехода
Диод, предназначенный для поддержания постоянной величины напряжения (стабилизации напряжения), называется стабилитроном или опорным диодом. Стабилитрон представляет собой разновидность кремниевого диода с повышенным содержанием носителей зарядов в полупроводниках. При определенной величине обратного напряжения, называемого напряжением пробоя или напряжением стабилизации, происходит резкое увеличение проводимости в обратном направлении. В отличие от диода в стабилитроне этот процесс является обратимым, т. е. при уменьшении обратного напряжения до определенной величины проводимость стабилитрона в обратном направлении прекращается. Стабилитроны применяются в транзисторных регуляторах напряжения и в транзисторных системах зажигания. Условное обозначение стабилитрона на схемах показано на рис. 1, д.
Рис. 2. Схемы подключения и условные обозначения транзисторов:
а — типа р —п — р; 6 — типа п— р — л
Транзистор — это полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами. В переводе с английского транзистор означает трансформатор сопротивления. Он содержит два р—/г-перехода и три вывода для подключения в электрическую цепь.
Один из выводов соединен с базой, т. е. основанием транзистора, другой—с эмиттером и предназначен для эмиттиро-вания, т. е. введения носителей электрических зарядов в базу, а третий—с коллектором; он является собирателем этих зарядов Транзисторы, у которых плюс подключен к эмиттеру, а минус — к коллектору, называют транзисторами прямой проводимости (типа р — п — р) и, наоборот, у транзисторов обратной проводимости (типа п — р — п) плюс подключается к коллектору, а минус— к эмиттеру.
На базу транзистора подается малый ток управления проводимостью р — «-переходов, а по цепи эмиттер — коллектор “Ротекает значительно больший ток. Таким образом, транзистор обладает усилительными свойствами и может работать как в режиме усиления, так и в режиме переключения.
Схема подключения транзистора прямой проводимости и его условное обозначение показаны на рис. 2, а.
При соответствующем потенциале базы носители зарядов 113 эмиттера (источника электрических зарядов) проходят к коллектору (собирателю электрических зарядов) и в цепи нагрузки появляется ток.
При подаче на базу отрицательного потенциала (переключатель П соединить с клеммой 1) в цепи эмиттер — база транзистора прямой проводимости появится управляющий ток, что и обеспечит протекание тока в цепи нагрузки эмиттер—коллектор, т. е. транзистор откроется.
В случае подачи на базу положительного потенциала (переключатель П соединить с клеммой 2) транзистор закроется (переход эмиттер — коллектор обладает большим сопротивлением). Если на базе транзистора управляющий потенциал отсутствует (цепь базы разомкнута), то транзистор будет закрыт.
Схема подключения транзистора обратной проводимости и его условное обозначение показаны на рис. 2, б.
Эмиттер транзистора обратной проводимости соединяют с отрицательным полюсом источника тока. При подаче на базу положительного потенциала, в цепи эмиттер —база транзистора обратной проводимости появится управляющий ток и транзистор откроется. При подаче на базу отрицательного потенциала транзистор закроется.
Таким образом, управляя весьма малым током базы транзистора, можно бесконтактно включать и выключать значительный ток в цепи эмиттер — коллектор. В реле-регуляторах и системах зажигания транзисторы работают в двух устойчивых состояниях: «открыт» и «закрыт».
Применение полупроводниковых приборов в автотранспортном комплексе. электронное зажигание. электронный блок управления. светодиоды: датчики, фары, светофоры и т.п. глобальная система позиционирования. сотовые телефоны
В настоящее время трудно представить автомобиль, в котором нет ни одного полупроводникового прибора. Самым распространенным узлом автомобиля, где начали использовать полупроводниковые приборы, стало электронное зажигание. Затем присоединилось электронное управление и другими узлами автомобиля, видеокамера заднего вида, фары, и, наконец, система глобального позиционирования (GPS).
Автомобильные системы зажигания в основном построены на тиристорах. Тем не менее, транзисторные системы, которые вначале играли главную роль в схемах систем зажигания, не потеряли своей актуальности. В последнее время выпускается много мощных, в том числе составных, транзисторов с характеристиками, позволяющими использовать их для автомобильных систем зажигания. Кроме транзисторов, в схеме использованы диоды и светодиоды как датчики состояния системы зажигания в целом.
Широкое распространение имеют устройства автозапуска двигателя автомобиля. Часто эти устройства сочетают расширенные сервисные функции и функции охранного устройства:
• автозапуск двигателя по 3 таймерам, которые настраиваются
индивидуально на запуск каждый день, только в рабочие дни,
один раз в неделю;
• возможность запустить двигатель дистанционно по свободному
• запуск двигателя автоматически, при нажатии на кнопку;
• грамотное слежение и управление режимами работы мотора;
• индикация режимов работы и разнообразных параметров (например, оборотов двигателя) в символьном виде;
• блокировка запуска двигателя без ключа;
Устройство автозапуска при заводе двигателя проверяет положение коробки передач, что предотвращает включение стартера при установке автомобиля на одной из передач и контролирует обороты двигателя, отслеживая момент завода. После запуска мотор будет работать в течение 10 минут, затем автоматически заглушится. Периферийное оборудование автомобиля включается через 3 минуты после завода, что позволяет, например, включать отопительную систему после прогрева мотора. Если даже злоумышленник и проник в автомобиль, который завелся по таймеру или дистанционно, то при переключении передач или нажатии на педаль газа двигатель автоматически заглохнет. Если двигатель заглох или не завелся за 6 секунд работы стартера, то будет предпринято еще 2 попытки через 15 секунд ожидания.
При установке устройства автозапуска на секретный режим будет блокирован запуск двигателя даже ключом или соединение соответствующих проводов замка зажигания.
Приведем в качестве примера схему электронного индикатора регулировки напряжения в системе электронного оборудования автомобиля (рис. 17.1).
Рис. 17.1. Индикатор напряжения аккумулятора на микросхеме К1003ПП1
Индикатор позволяет контролировать напряжение бортовой сети автомобиля в четырех диапазонах. При напряжении на аккумуляторе менее 11 вольт горит светодиод красного цвета VD1. При нормально заряженной батарее, когда напряжение изменяется в диапазоне от 11,1 до 13,2 вольт, горит зеленый светодиод VD2, а при значениях напряжения в диапазоне от 13,4 до 14,4 вольт горит светодиод желтого цвета VD3. В случае увеличения напряжения до значения свыше 14,6 вольта загорается красный светодиод VD4. Особенностями регулятора являются использование триггера Шмитта в узле управления выходным транзистором и наличие температурной зависимости регулируемого напряжения.
Большинство автомобильных микропроцессорных систем управления построено по единому принципу: датчики состояния командный компьютер исполнительные механизмы изменения состояния. Такая система управления (двигателем, АКПП и др.) называется электронным блоком управления (ЭБУ или ECU). Ее функциями являются:
• управление главным реле;
• управление реле бензонасоса;
• управление опорными (питающими) напряжениями датчиков;
• управление побудителем (регулятором) холостого хода;
• управление дополнительными реле;
• управление дополнительными устройствами;
Для правильного функционирования ЭБУ используются различные датчики, например, управление впрыском и зажиганием требует запуска ЭБУ как генератора импульсов управления, а также синхронизации этой генерации с механикой двигателя. Запуск и синхронизацию обеспечивают сигналы с датчиков вращения. Используются индуктивные датчики, датчики Холла и фотоэлектрические датчики. Отметим, что основой датчика Холла является магнитоуправляемая микросхема, использующая эффект Холла (в полупроводнике, помещенном в магнитное поле, возникает электрическое поле, перпендикулярное направлению и тока, и магнитного поля; эффект сопровождается возникновением разности потенциалов в образце). Датчики, основанные на эффекте Холла, называются гальваномагнитными датчиками.
Отметим также все большее использование светодиодов для нужд автотранспортного комплекса. Использование светодиодов высокой яркости в автомобильных лампах габаритных и стопсигналов получило существенное распространение в США, Европе и Японии. В 2000 году ими были оборудованы 32% легковых автомобилей и легких грузовиков. С 1997 года, на значительной части европейских автомобилей начали использовать голубые, зеленые, белые и желтые СД высокой яркости для освещения приборных досок, и сегодня более половины сделанных в Европе автомобилей оборудованы ими.
Светодиоды используют и в автомобильных фарах. Компания Lumileds Lighting недавно продемонстрировала на Женевском автошоу в Швейцарии СД Luxeon в фарах концептуального автомобиля Фиорованти. Их световой поток в 10…20 раз превышает по мощности световой поток обычных фар. В сравнении с обычными фарами автофары на светодиодах обладают рядом преимуществ стабильностью выходных характеристик за все время эксплуатации, экономией пространства и энергии, а выгоды при переходе на твердотельный источник света очевидны. В настоящее время 17 фирм являются изготовителями автомобильных фар. В 2007 году в продаже появились «лексусы» и «ауди» со светодиодными фарами дальнего света.
Использование более дорогих светодиодов для замены ламп накаливания в транспортных сигналах основано на их высокой надежности, а также на том, что СД потребляют электроэнергии на
80% меньше, чем лампы накаливания с фильтрами.
В последнее время использование светодиодов высокой яркости для подсветки жидкокристаллических дисплеев, особенно в мобильных телефонах, внесло существенный вклад в развитие их рынка. Основные преимущества светодиодов низкое энергопотребление (за счет использования фотоэлементов и отсутствия необходимости подводить электричество к объектам) и длительный срок службы (более 10000 ч). Кроме того, для светодиодов характерно очень малое выделение тепла. Оснащенный фотоэлементом, светодиод, заряжаясь днем, ночью может светить до 10 часов, заменяя собой лампу накаливания в уличном фонаре, подключенном к стационарному источнику питания.
На рис. 17.2 приведены спектральные характеристики светодиодов, изготовленных из разных материалов и ламп разных типов. Из этого рисунка видно, что по светоотдаче светодиоды превосходят практически все используемые лампы, за исключением натриевых ламп высокого давления. Вышеприведенный анализ рынка светодиодов подчеркивает практическое использование этого параметра и свидетельствует о постепенном вытеснении разного рода ламп
Рис. 17.2. Светоотдача приборов на основе гетероструктур с активными слоями InGaP и AlInGaP на длинах волн, отвечающих максимуму излучения. Стрелки справа показывают светоотдачу вакуумных и газонаполненных ламп; кривая спектральную чувствительность глаза
Примером массового применения светодиодов является установка светодиодных светофоров. Например, на перекрестках Москвы к 850-летнему юбилею города было установлено 1000 светодиодных светофоров; для зеленого света применены элементы на основе нитридов. Многие европейские города, такие как Мюнхен или Стокгольм, уже перешли на дорожные сигналы, построенные на светодиодных модулях TRAFFICsignal. Каждый продукт этого семейства состоит из светодиодного источника света, оптической системы и аппаратуры управления. В светофоре они заменяют лампу накаливания, рефлектор, патрон лампы и защитный передний диск светофора.
По словам специалистов ГИБДД, новые светофоры вместо одной лампы в одном из трех окошек содержат 200 диодов. Это значит, что отказ от работы одного, двух или даже половины диодов не отразится на яркости горения. Светодиодный светофор рассчитан на 10…15 лет бесперебойной службы. Кроме того, такие светофоры в три раза экономичнее обычных: они не перегорают, тогда как в традиционных светофорах регулировщикам движения приходится менять до 10 тысяч ламп в год. Светодиоды высокой яркости голубого (470 нм), зеленого (525 нм) и зелено-голубого (505 нм) цвета предназначены для использования в системах отображения информации, световых знаках, указателях, дорожных знаках, а также для специальных применений.
Известно, что RGB-цвет (Red, Green, Blue), используемый в разного рода мониторах, как электронно-лучевых, так и цифровых, охватывает разве что две трети всего видимого человеческим глазом цветового пространства. Поэтому для достижения точности и насыщенности полиграфических цветов профессионалы вынуждены, не ограничиваясь картинкой на специальном и дорогом мониторе, проводить полиграфические цветопробы. Прежние LCD-панели по цветовому охвату несколько уступали лучшим электроннолучевым трубкам. Теперь же после появления светодиодной подсветки цветовой охват LCD вырос настолько, что приблизительно на пять процентов перекрыл профессиональное и редко в реальности достижимое, так называемое Adobe RGB цветовое пространство. Это видно невооруженным взглядом. На фирме Samsung провели такой наглядный опыт: поставили рядом мониторы с CCFL-лампой и LED-подсветкой и запустили на них одни и те же картинки. На LEDмониторе изображение было сочнее и полнее, в особенности это касалось зеленых оттенков, которые в RGB-пространстве обычно слабее других цветов.
Применение твердотельных светодиодов привело и еще к одному открытию в области одночиповых микрозеркальных проекторов. В микрозеркальных проекторах в отличие от проекторов на крохотных LCD-матрицах обычно устанавливается однаединственная матрица из миллионов микроскопических алюминиевых зеркалец. Цвет при этом составляется с помощью быстро вращающегося (7 200 оборотов в секунду) колеса с фильтрами трех основных цветов (упомянутых выше RGB). Впрочем, существуют и трехчиповые микрозеркальные проекторы, но они распространены мало, потому что громоздки и дороги. То есть когда на чип подается красная составляющая картинки, перед объективом проходит красный участок колеса, когда зеленая — зеленый и так далее. Есть мнение, что такой способ образования картинки утомляет глаз, а вокруг быстро движущихся объектов иногда возникают радужные обводы (радужный эффект наблюдали не более 1% пользователей). Разумеется, производители, увеличивая скорость и число секций колеса, стараются минимизировать эти дефекты, однако, всем одночиповым микрозеркальным проекторам присущ радужный эффект. Теперь появилась возможность отказаться от колеса, а в нужные моменты зажигать безынерционные светодиоды соответствующих цветов.
Интересно отметить еще одно из многочисленных применений светодиодов: изобретение японских ученых корпорации Toshiba для борьбы с хакерами. Ученым удалось получить новый тип излучающих светодиодов, испускающих по одному фотону в заданный промежуток времени. По словам авторов изобретения, новые светодиоды позволяют сделать оптоволоконную связь практически недоступной для перехвата. Добиться желаемых свойств светодиодов удалось за счет внедрения полупроводниковых нанотехнологий. Единичные фотоны могут быть использованы для аутентичности пользователей оптической сети. Кроме того, эта технология позволяет каждый раз изменять ключи шифрования, что еще в большей степени снижает риск ведения нечестной игры. Руководитель исследовательского проекта д-р Энрю Шилдс заявил, что данное открытие должно сыграть важнейшую роль в распространении широкополосных Интернетсервисов, причем немалую роль в данном случае играет повышения доверие пользователей к безопасности электронной коммерции.
Светодиоды позволяют не только защищаться от хакеров, но и контролировать компьютерное оборудование на расстоянии. Ученые США и Великобритании нашли способ считывать информацию с компьютера на расстоянии посредством наблюдения за вспышками светодиодов на электронном оборудовании и мерцанием мониторов. Оптические сигналы от маленьких вспыхивающих светодиодов, расположенных практически на всех компьютерных устройствах, от модемов, до клавиатур и маршрутизаторов, можно регистрировать с помощью оптики. Как заявил Джо Лагри, программист Lockheed Martin Space Systems, обработка таких сигналов позволяет восстановить все данные, прошедшие через эти устройства. Причем для этого не требуется специальной аппаратуры, а обнаружить, что за компьютером ведется наблюдение абсолютно невозможно. Впрочем, такому риску подвергаются не все устройства, оснащенные светодиодными индикаторами. К группе риска относится оборудование, используемое в низкоскоростных сетях с передачей данных на короткие расстояния, например банковские автоматы. Корпоративные локальные сети и домашние подключения к Интернету находятся вне опасности.
Отметим еще одно использование полупроводниковых приборов в данном случае интегральных схем для установления координат вашего автомобиля в каждый момент движения и возможность составления необходимого маршрута до намеченной цели. Привычная приборная доска автомобиля уходит в прошлое. Не нужны ни стрелки, ни циферблаты. Жидкокристаллический дисплей при надобности покажет, с какой скоростью автомобиль движется, где он находится, и нарисует на карте. Эта технология называется GPS (сокращение от английского Global Positioning System), что означает
«система глобального позиционирования».
На шести околоземных орбитах вращается двадцать четыре одинаковых спутника. Каждый из них несколько сотен раз в секунду сообщает точное время и свои координаты. Достаточно принять такой сигнал от четырех разных спутников, чтобы вычислить свое местоположение. Каждый спутник GPS пролетает над своей станцией слежения через каждые 11 ч 57 мин. В этот момент он передает уточненные данные о своей орбите и получает информацию о других спутниках. Высота над поверхностью Земли должна быть немного больше 20 тысяч км. Все двадцать четыре спутника делятся на шесть групп, по четыре в каждой. Спутники одной группы располагаются на общей орбите. Всего орбит оказывается, таким образом, шесть штук, но каждая из них наклонена к плоскости экватора на один и тот же угол 55°.
Пользователю важно, каким устройством для приема сигнала GPS он пользуется: карманным или установленным на приборной доске автомобиля. В настоящее время такие приборы выпускают многие фирмы. Существуют экзотические инженерные решения, вроде Casio ProTrek GPS, совместившего GPS-приемник с наручными часами, или NavTalk GSM, где данное устройство вмонтировано в мобильный телефон. Однако доступ к GPS-сервису в чистом виде можно обеспечить и без всякой дополнительной экзотики.
Большинство GPS-приемников снабжаются навигатором с графическими жидкокристаллическими дисплеями. Загрузив в навигатор набор карт, можно сразу определить свое местонахождение не только в географических координатах, но и в названиях улиц. Можно также обозначить конечный пункт своего путешествия и заставить электронный голос вовремя подсказывать, где надо повернуть налево, где направо.
Рождение технологии GPS типично для XX века, да и, вообще, для истории техники: ее разрабатывали в стенах DOD американского военного ведомства. Идея родилась в 1960-е годы, а потом на протяжении нескольких десятилетий запускались и испытывались различные спутники. С 1967 года созданная сеть TRANSIT находилась в открытом коммерческом доступе и позволяла ориентироваться кораблям в открытом море.
К началу 1990-х годов подоспела и новый «вызов»: в январефеврале 1991 года началась военно-стратегическая операция «Буря в пустыне», в ходе которой американские войска выводили части иракской армии с территории Кувейта. В Пентагоне решили развернуть на территории Кувейта тестовые навигационные сети с использованием технологии GPS. Они позволяли точно наводить американские ракеты на места скопления основных сил противника. Слово «позволяли» означает: испытания прошли вполне успешно. Это, вообще, бывает нечасто, в особенности, когда задействовано нечто глобальное, или космическое. В тот момент было неясно, как новая технология будет использоваться в дальнейшем в военных или гражданских целях, или станет системой двойного назначения.
Уже в 1995 году на мировое обозрение была представлена первая коммерческая реализация GPS. Поистине ключевым моментом в истории развития системы стало решение президента США Билла Клинтона, предписывающее отменить с 1 мая 2000 года режим так называемого селективного доступа (SA selective availability). Дело в том, что с момента вступления этого предписания в силу каждый любительский навигационный терминал теоретически может определять координаты с точностью в несколько метров. До отмены селективного доступа погрешность определения местоположения составляла сотню метров, и это только в теории, а на практике она, как правило, достигала нескольких километров.
В России аналогичная система создавалась параллельно и почти одновременно, хотя и с небольшим отставанием: спутников было поменьше, и летали они пониже. Эффект, однако, был тот же. В результате в 1993 году Министерство обороны приняло на вооружение систему ГЛОНАСС (глобальной навигационной спутниковой системы), которой со временем надлежало иметь двадцать четыре спутника в трех орбитальных плоскостях. Орбиты проходят на высоте
19100 км, и период обращения спутника чуть больше одиннадцати часов. В ГЛОНАСС в рабочем состоянии находится только половина станций, вторую же их часть планируется подготовить в течение
Вначале система глобального позиционирования GPS предназначалась только для военных нужд. То, что сейчас этим замечательным достижением человеческой мысли имеют возможность пользоваться и гражданские лица, есть следствие доброй воли американцев. Однако они в последнее время ратуют за то, чтобы сделать доступ к системе глобального позиционирования платным.
Главная проблема заключается в том, что Соединенные Штаты в любой момент могут отключить систему для всех, кроме себя. Во время военных конфликтов с участием США это уже не раз случалось. Навигационные сигналы GPS имеют достаточно сложную закодированную форму, и простая смена ключа кодирования «убивает» все гражданские GPS-приемники, оставляя вполне работоспособными военные. Такое положение не устраивает не только КНР, готовую помогать России в восстановлении ГЛОНАСС, но и объединенную Европу, нацеленную на создание собственной гражданской системы глобального позиционирования — «Галилео» (Galileo).
Отметим еще одну форму широкого использования полупроводниковых микросхем сотовые телефоны. Современные сотовые телефоны можно применять не только для общения между людьми. Поэтому сегодня весьма активно набирает обороты производство разного рода исполнительных, охранных и мониторинговых устройств. Специальные GSM-модули встраивают в охранные системы автомобилей и счетчики электроэнергии, сопрягают с приемниками системы глобального позиционирования (GPS) и исполнительными устройствами малой домашней механизации. Надежность и вездесущность сотовой связи позволяет с минимальными затратами через обмен SMS или канал передачи данных организовать, например, охрану автомобиля или ответственного груза с возможностью не только отслеживать его перемещения, но и при необходимости блокировать двигатель или даже самоуничтожить груз.
Принцип работы такого рода устройств несложен: сотовый телефон предоставляет канал для передачи информации, а встроенный микропроцессор принимает команды управляющего сервера и, соблюдая все условности и получив окончательное согласие, делает то, что ему приказали, или сообщает то, что просили. Причем спектр применения таких систем крайне широк и в ближайшее время будет еще расширяться.
1. Назовите наиболее важные даты в истории создания электронных приборов.
2. Назовите лауреатов Нобелевской премии авторов первого полупроводникового прибора и поясните, какой это был прибор.
3. Назовите этапы, предшествующие созданию первых микросхем.
4. Назовите количество транзисторов современной интегральной схемы.
5. Назовите имена российских Нобелевских лауреатов, получивших премию за работы в области полупроводниковых приборов.
6. Назовите виды полупроводниковых приборов.
1. Назовите первые счетные автоматические устройства.
2. Назовите имена авторов счетных устройств IX-XX веков.
3. Опишите, когда была создана, из каких элементов состояла первая электронная вычислительная машина и как она называлась.
4. Назовите устройства, необходимые для работы компьютера по
5. Назовите основные принципы работы компьютера.
6. Расскажите о первой отечественной ЭВМ.
7. Назовите, когда и где был создан первый персональный компьютер.
8. Назовите тенденции рынка полупроводниковых элементов.
9. Назовите страны и фирмы, являющиеся основными поставщиками и потребителями кремния.
10. Расскажите о будущем развитии микроэлектроники.
1. Назовите интервал значений удельной электропроводности для металлов, полупроводников и диэлектриков.
2. Напишите формулу температурной зависимости проводимости полупроводников.
3. Дайте определение энергии активации.
4. Расскажите, как изменяется электропроводность полупроводников при внешних воздействиях.
5. Определите, что такое энергетические уровни полупроводника и как они связаны с электропроводностью.
6. Определите, что такое волновая функция электрона.
7. Напишите уравнение Шредингера для частицы с одной степенью свободы.
8. Определите, что такое «адиабатическое приближение» и где это приближение применяется.
9. Определите, что такое «одноэлектронное приближение» и для чего оно применяется.
10. Назовите, в чем состоит аппроксимация потенциальной функции электрона в кристалле по Кронигу-Пенни.
11. Определите, что такое «прозрачность барьера», напишите формулу.
12. Расскажите, как через разные значения прозрачности барьера можно определить металлы, свободные электроны и полупроводники.
13. Назовите, что такое периодичность структуры кристалла и
14. Напишите решение уравнения Шредингера и прокомментируйте формулу.
15. Изобразите графически и объясните процесс образования энергетических зон в кристалле.
16. Изобразите графически и объясните зависимость энергии от волнового вектора в кристалле по сравнению со свободным электроном.
17. Определите, что такое зоны Бриллюэна.
18. Изобразите схематически зонную структуру для металлов, диэлектриков и полупроводников.
19. Определите и объясните, что такое «эффективная масса»,
20. Назовите виды химической связи, а также определите, какой тип связи характерен для полупроводников.
1. Назовите принцип Паули. Объясните, как он применяется для электронов в кристалле.
2. Определите, что такое «функция распределения», и напишите формулу.
3. Определите, что такое «уровень Ферми».
4. Сравните функции распределения Ферми-Дирака и Максвелла-Больцмана. Приведите графическое изображение.
5. Приведите формулу для определения концентрации электронов в зоне проводимости.
6. Определите, что такое «эффективное число состояний» для основных носителей тока в полупроводнике.
7. Приведите формулу уравнения электронейтральности и объясните.
8. Приведите формулу для определения уровня Ферми и объясните температурную зависимость положения уровня Ферми.
9. Определите, что такое «ширина запрещенной зоны» и ее температурную зависимость.
10. Дайте определение «донорам» и «акцепторам».
11. Расскажите, как найти функцию распределения по примесным состояниям.
12. Дайте определение понятию «фактор вырождения», определите его физический смысл.
13. Объясните, в чем физический смысл понятия «невырожденный полупроводник».
14. Объясните, что такое «термическая ионизация», к чему она приводит.
15. Дайте определение понятию «область истощения донорной примеси».
16. Дайте определение понятию «явление компенсации примесей».
17. Дайте определение понятию «вырожденный полупроводник».
1. Дайте определение понятиям «равновесная концентрация» и
«равновесная функция распределения по состояниям».
2. Дайте определение понятию «избыточные концентрации электронов и дырок».
3. Определите, что такое генерация и рекомбинация избыточных носителей.
4. Определите, что такое квазиуровень Ферми.
5. Дайте определение понятиям «высокий уровень инжекции» и
«низкий уровень инжекции».
6. Определите, что такое «эффективное сечение рекомбинации».
7. Дайте определение понятию «среднее время жизни неравновесных носителей тока».
8. Назовите виды рекомбинации.
9. Дайте определение понятиям «локальные состояния», «рекомбинационные центры».
10. Определите, что такое «центры прилипания».
1. Определите, что такое «собственная генерация»
2. Определите, что такое «примесная генерация».
3. Определите, что такое «инжекция основных носителей», и приведите формулу для изменения заряда.
4. Дайте определение понятию «максвеллово время релаксации»
5. Назовите механизмы генерации носителей.
6. Определите, что такое «скорость рекомбинации» и «скорость генерации».
7. Изложите теорию рекомбинации Холла-Шокли-Рида.
8. Определите, что такое «время жизни неосновных носителей заряда».
9. Рассмотрите неравновесные явления в полупроводнике при протекании электрического тока.
10. Приведите и объясните соотношение Эйнштейна.
11. Дайте определение понятию «диффузионная длина носителей тока».
12. Определите, что такое обогащение или обеднение кристалла носителями в сильном электрическом поле.
13. Определите, что такое «биполярная диффузия», и напишите необходимые формулы.
1. Определите, что такое электропроводность.
2. Определите, что такое термо-э.д.с.
3. Объясните, какой эффект называется эффектом Холла.
4. Назовите кинетические коэффициенты.
5. Напишите кинетическое уравнение Больцмана и изложите, какие упрощения используются для его решения.
6. Определите, что такое рассеяние.
7. Дайте определение понятию «рассеяние на нейтральных примесях».
8. Дайте определение понятию «рассеяние на фононах».
9. Определите, что такое «рассеяние на дислокациях или других примесях».
10. Дайте определение понятию «теплопроводность» и назовите ее виды.
1. Назовите термоэлектрические эффекты в полупроводниках и назовите причину их возникновения.
2. Определите, что такое эффект Зеебека.
3. Объясните, что такое эффект Пельтье.
4. Расскажите, что такое эффект Томсона.
5. Определите, что такое эффект Холла и изобразите графически схему возникновения холловского напряжения.
6. Объясните, почему возникает эффект Холла и напишите соответствующие формулы.
7. Определите, что такое магниторезистивный эффект.
1. Определите, что такое коэффициент отражения, и приведите формулу.
2. Определите, что такое коэффициент пропускания, и приведите формулу.
3. Определите, что такое коэффициент поглощения, и приведите формулу закона Бугера-Ламберта.
4. Определите, что такое спектры отражения или спектры поглощения. Объясните, для чего применяются результаты измерений таких спектров.
5. Назовите виды механизмов поглощения.
6. Определите, что такое «прямые и непрямые переходы», с каким механизмом поглощения они связаны.
7. Поясните, что такое экситонное поглощение.
8. Поясните, что такое примесное поглощение.
9. Определите, что такое поглощение свободными носителями заряда.
10. Определите, что такое фотопроводимость.
11. Назовите виды фотопроводимости.
12. Назовите практическое применение явления фотопроводимости.
13. Расскажите, что такое «лазер», и поясните принцип его работы.
14. Назовите типы лазеров.
1. Дайте определение понятию «контактные явления».
2. Назовите причину возникновения контактных явлений у поверхности полупроводника.
3. Поясните, какой слой называется инверсионным, почему и как он возникает.
4. Дайте определение понятию «физический
5. Определите, что такое «дебаевская длина экранирования», и приведите формулу.
6. Дайте определение понятию «работа выхода».
7. Дайте определение понятию «контактная разность потенциалов».
8. Поясните, что определяет выпрямляющие свойства контакта металл-полупроводник.
9. Определите, что такое «диод Шотки», и приведите графически вольтамперную характеристику.
10. Дайте определение понятию «омический контакт».
11. Объясните, что такое «уровни Тамма».
12. Определите, что такое эффект поля.
13. Поясните, что такое поверхностная рекомбинация.
1. Поясните, от чего возникают выпрямляющие свойства
2. Приведите графическое изображение
p − n − перехода при подаче на него прямого и обратного напряжения.
3. Приведите формулу для определения полной толщины пространственного слоя и поясните ее.
4. Поясните, что означает понятие «барьерная емкость».
5. Перечислите и поясните механизмы пробоя
6. Определите, что такое тепловая нестабильность.
7. Определите, что такое туннельный эффект.
8. Определите, что такое явление Зенера.
9. Определите, что такое лавинный пробой.
10. Поясните, что такое и как работает туннельный диод.
11. Поясните, что такое гетеропереход и где такие гетеропереходы используются.
12. Поясните, что такое «солнечные элементы», как они устроены,
1. Дайте определение понятию «эффект поля».
2. Поясните, что такое полевой транзистор, как он работает.
3. Назовите режимы работы полевого МОП-транзистора.
4. Опишите режим обогащения.
5. Опишите режим обеднения.
6. Опишите режим инверсии.
7. Приведите вольт-фарадные характеристики и поясните когда и от чего они зависят.
8. Поясните, как работает полевой транзистор с управляющим
p − n − переходом.
1. Приведите графическое изображение и поясните структуру биполярного транзистора.
2. Поясните, как проходит процесс усиления в биполярном транзисторе.
3. Поясните, какие процессы наблюдаются во время работы биполярного транзистора при периодическом изменении напряжения «база-эмиттер».
4. Приведите зарядовую модель для расчета работы транзистора.
5. Изобразите графически выходные характеристики транзистора.
6. Поясните, что такое тиристоры и как они работают.
7. Приведите и поясните схематическое изображение идеальной структуры управляемого тиристора.
1. Изложите кратко этапы развития интегральных схем.
2. Назовите степень интеграции СБИС в ближайшем будущем.
3. Расскажите о законе Г.Мура и приведите основные цифры.
4. Перечислите наиболее крупные шаги при изготовлении ИС.
5. Поясните, какой прибор составляет основу при создании ИС.
6. Приведите основные характеристики аналоговых и логических схем.
7. Поясните, какую роль играет температурная зависимость параметров СБИС.
8. Назовите, какие типы биполярных интегральных схем используются в аналоговых СБИС и каковы характеристики таких схем.
9. Приведите структуру и физические характеристики интегральных схем на основе МОП-технологии.
10. Назовите основные процессы изготовления СБИС.
11. Приведите основные применения СБИС на основе МОП технологии.
12. Расшифруйте название и приведите описание КМОП технологии.
13. Определите, что такое приборы с зарядовой связью.
14. Поясните, какие характеристики СБИС изменяются в настоящее время и почему.
15. Приведите цифры, поясняющие, во сколько раз изменились характеристики микропроцессоров.
16. Расскажите, что вы знаете о корпорации Intel.
1. Поясните, что такое светодиод.
2. Назовите фамилии соотечественников, внесших существенный вклад в изучение процессов преобразования электрической энергии в световую.
3. Назовите, какие полупроводниковые материалы используются для создания гетеропереходов.
4. Приведите графическое изображение гетероструктуры, предложенной Ш. Никамура.
5. Поясните, что такое эффекты размерного квантования.
6. Назовите, когда и кем был предложен способ получения сплошного спектра в видимой области от светодиодов.
7. Назовите способы создания светодиода с белым излучением.
8. Поясните, какую роль играет люминофор при получении белого света.
9. Назовите причины поглощения света неорганическими материалами.
10. Приведите пример получения гетероструктуры.
1. Поясните, что такое электронная система зажигания и автозапуск двигателя.
2. Поясните, какие полупроводниковые приборы использованы в электронном оборудовании автомобиля.
3. Назовите основные функции электронной системы управления двигателем.
4. Назовите полупроводниковые приборы и эффекты, свойственные полупроводниковым материалам, которые используются в электронной системе управления двигателем.
5. Приведите примеры использования светодиодов в автомобиле и других видах транспорта.
6. Приведите характеристики светофоров, изготовленных с использованием светодиодов.
7. Приведите примеры использования светодиодов вне автотранспорта.
8. Поясните, что такое GPS система глобального позиционирования.
9. Поясните, как работает GPS.
10. Назовите отечественные разработки в области глобального позиционирования.
11. Поясните, почему сотовые телефоны можно отнести в приборам, необходимым автомобилисту.
1. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников.
2. Киреев П.С. Физика полупроводников. М.: Высш. шк., 1975.
3. Шур М. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн. М.:
4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн. М.: Мир,
5. Климачев И.И., Иодальский В.А. СВЧ ГИС. Основы технологии и конструирования. М.: Техносфера, 2006.
1. Горбачев В.В., Спицына Л.Г. Физика полупроводников и металлов. М.: Металлургия, 1976.
2. Китель Ч. Квантовая теория твердых тел. М.: Наука, 1967.
3. Зеегер К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977.
4. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. М.:
Высшая школа, 1991.
5. Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Наука,
6. Основы технологии кремниевых интегральных схем: оксиление, диффузия, эпитаксия. Под ред. Р.Бургера и Р.Донована. М.: Мир, 1969.
Татьяна Михайловна ТКАЧЕВА
ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКИ
И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В АВТОТРАНСПОРТНОМ КОМПЛЕСЕ