По мотивам Инженерного подкаста вспомнили основные определения электроники, узнали с каким экстримом она сталкивается. Публикуем самое интересное!
Электроника сегодня
Современные электронные приборы так или иначе включают в себя достаточно широкий спектр устройств. Для классификации с точки зрения электроники их можно разделить по содержанию различных блоков, например, микропроцессоров. Они являются накопителями информации, другими словами, отвечают за память. Практически все современные устройства содержат микропроцессоры, в особенности те, которые используются в быту: мобильные телефоны, персональные компьютеры (ПК).
Если говорить про экстремальную электронику, то микропроцессоры должны работать достаточно надежно и иметь свой набор оптимальных характеристик: высокую скорость работы, малые габариты и так далее. Среди них можно выделить отдельный подвид: графические процессоры, предназначенные для обработки цифровых потоков аудио, видео. Они играют достаточно важную роль не только в смартфонах и ПК, но и в космосе для фотографий, например. Для того же Curiosity или любого другого марсохода, лунохода существуют определенные требования к обработке потока видеоданных. Среди других блоков можно выделить различного рода дисплеи, а также беспроводные модули, сенсорные панели и так далее. Остановимся подробнее на полупроводниковых компонентах.
Полупроводники – это вещества, проводимость которых непостоянна и зависит от температуры. На шкале электрических свойств они находятся между проводниками – хорошо проводящими материалами и диэлектриками – веществами, практически не проводящими электрический ток. За счет особого строения своей кристаллической решетки количество носителей заряда (дырок и электронов) изменяется от температуры, что приводит к увеличению или уменьшению проводимости. Это свойство позволят использовать полупроводники как датчики, излучатели или их комбинацию в виде транзистора.
Полупроводниковые компоненты и микросхемы классифицируются по различным критериям.
Физика процессов сильно зависит от технологий изготовления компонент. Например, в биполярных транзисторах при увеличении температуры там будет расти обратный ток. В полевых же транзисторах изменяется величина подвижности носителей заряда.
Подвижность носителей зарядов – это коэффициент пропорциональности между их дрейфовой скоростью и внешним электрическим полем.
Например, для МОП-транзистора при уменьшении прямой подвижности будет расти сопротивление транзистора в проводящем состоянии с определенным температурным коэффициентом. Исходя из этого будет изменяться и пороговое напряжение. По большому счету оказывается влияние на функционирование прибора. Итак, мы разобрали влияние температуры.
Критерии «экстремальности»
У экстремальной электроники есть особенность: она разрабатывается для работы в конкретных нестандартных условиях, например, при высоких или низких температурах, при сильных механических воздействиях агрессивных сред (пыль, грязь). Нередко необходима стойкость приборов к влажности, радиации, вибрации. При этом экстремальная электроника востребована именно в тех областях, где обычные электронные устройства не могут работать эффективно. Это может быть не только космос, экстремальная электроника применяется в частности в автомобильной промышленности из-за неотъемлемых вибраций, пыли, грязи, влажности. Поэтому в разговоре об экстремальной электронике важно учитывать помимо радиационного воздействия и другие факторы.
Существуют разные факторы: климатические, механические, радиационные, электромагнитные – у каждого есть своя норма. Для климатического предполагают лабораторные условия: температура +25⁰С, давление 766 мм. рт. ст., влажность 45%, аналогично и для других факторов. Однако производитель должен гарантировать в пределах диапазона, предположим, рабочих температур определенные электрические параметры микросхемы. Соответственно, выход за границы этого диапазона приводит к выходу компоненты из строя. Остановимся подробнее на примере температуры.
Для микросхемы существует три рабочих диапазона температуры. Коммерческий находится от нуля или минус десяти до семидесяти градусов Цельсия. Значит ли это, что в России такой прибор не будет работать зимой? Нет, все зависит от класса прибора и температуры: помимо рабочего значения температуры есть и критическое, при котором микросхема почти наверняка выйдет из строя. В спецификации микросхем для каждого параметра указывают такие критические и рабочие значения.
Промышленный диапазон температур заключен между минус двадцатью и восьми десятью пятью градусами Цельсия. А есть «Space» – космический или военный диапазон: условно от минус 55 до 125 градусов Цельсия. При создании такой электроники необходимо, чтобы вся компонентная база исправно работала при специфическом наборе характеристик. Если компоненты выходят за пределы, то это называется параметрическим отказом. Существует также функциональный отказ, характеризуемый конкретным нарушением функций системы независимо от причин, вызывающих это состояние.
Читайте другие статьи, по этой теме. Подписывайтесь, чтобы не пропустить продолжение! Следите за нами в Телеграмме, ВКонтакте, на официальном сайте.
#инженерный_подкаст#все_ответы_в_науке_МИФИ#десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
