Ответы на экзамен по электронике. Экз электроника. Первый билет Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды
 Скачать 3.79 Mb.
|
|
Первый билет Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды. Вещества по электрическим свойства делятся натри большие группы Проводники содержат большое количество носителей заряда, способных перемещаться под действием электрического поля. Они называются подвижными, их направленное движение – электрический ток. Сила тока i определяется скоростью перемещения суммарного заряда подвижных носителей Q: i=dQ/dt. Способность вещества пропускать ток-электропроводность. Электропроводность определяется, главным образом, плотностью концентрации, или просто концентрацией подвижных носителей их количеством в единице объёма. Типичными проводниками являются металлы. Для них характерна высокая концентрация подвижных зарядов свободных электронов. Диэлектрики практически не содержат подвижные заряды, их электропроводность ничтожна. Такими свойствами обладает большое число веществ. Стекло, дерево Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности межу проводниками и диэлектриками. Типичными самым распространённым в электронике полупроводником является кремний (Si). Широкое применение находят также некоторые соединения, например, арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN). Собственные полупроводники содержат атомы только одного вида. В примесных есть примеси N донорные) и P (акцепторные) вида Свободными становятся, прежде всего, валентные электроны, наиболее удалённые от ядра и наименее с ним связанные. Вместо электрона возникает дырка Образование свободного электрона – генерация, электрон влетает в дырку – рекомендация Дырка, как и свободный электрон, считается подвижным носителем заряда. При перемещении дырка заполняется несвободным, а соседним валентным электроном. Валентный электрон при этом остаётся валентным, его энергия не изменяется. Дырка исчезает на прежнем месте и возникает на новом месте, те. перемещается. Хотя при этом фактически перемещаются валентные электроны, воспринимается это, как перемещение единичного положительного заряда. Таким образом, перемещение зарядов в полупроводнике, те. возникновение тока, вызывается независимым друг от друга движением свободных электронов и дырок. Поэтому ток в полупроводниках может иметь как электронную, таки дырочную составляющие. Наряду с подвижными зарядами важную роль имеют неподвижные заряды – ионизированные атомы веществ, чаще всего примесей. Ионами называют атомы, утратившие часть своих электронов положительные ионы) или захватившие посторонние электроны (отрицательные ионы. Ионы в твёрдых веществах неспособны перемещаться и создавать ток. Однако, как и любые другие электрические заряды, они способны создавать электрическое поле, влияющее на подвижные заряды. Свойства МДП структуры. Пороговое напряжение. МДП-структура содержит металлический слой, слой диэлектрика и слой полупроводника Б) режим обогащения В) Режим обеднения Если используется самый распространённый полупроводник – кремний, то диэлектрик, как правило, двуокись кремния SiO2 . Такой диэлектрик на поверхности кремния легко создаётся путём его окисления. Диэлектрический слой всегда очень тонкий, что обеспечивает проникновение электрического поля в полупроводник при подаче на структуру ивнешнего напряжения Uвн . Полупроводник может быть как n, таки типа. Пороговое напряжение – напряжение, при котором происходит инверсия проводимости, когда концентрация неосновных носителей заряда станет больше чем основных. (для МДП-транзистора с индуц каналом – происходит индуцирование канала и появляется ток стока) 31. Классификация интегральных схем (по типу сигналов на входе и выходе, по технологии изготовления, по типу используемых элементов, по назначению) Классификация ИС по разнообразным признакам по типу действующих в них сигналов – цифровые и аналоговые ИС; по технологии изготовления – полупроводниковые и гибридные. В п/п ИС все элементы изготовлены в кристалле полупроводника, в гибридной ИС частично используются дискретные (навесные) элементы, изготовленные отдельно по функциональному назначению – процессоры, ИС памяти, логические, усилители и преобразователи сигналов и т.д.; по способности сохранять информацию в отсутствие энергии питания – энергозависимые и энергонезависимые по способности к изменению хранящейся в ИС информации – перепрограммируемые и неперепрограммируемые; по типу используемых элементов – МДП, КМДП, биполярные и т.д.; по способу изоляции элементов ИС друг от друга – с изоляцией p-n переходами, диэлектрической изоляцией. ИС классифицируются также по типу физических явлений. В основном, используются явления и процессы, наблюдающиеся в электронных элементах и цепях. Однако существуют ИС, использующие явление поверхностной акустической волны, эффект Холла, пьезоэффект, другие физические процессы. Особый подкласс образуют оптоэлектронные ИС, в которых используется фотоэффект и излучательная рекомбинация оптоэлектроника. Логические элементы на комплементарных МДП транзисторах. На двух и более КМДП-ключах легко создать функционально полную систему логических элементов, состоящую из элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ. В дополнение к ним можно применять одиночный КМДП-ключ, те. логический элемент НЕ (инвертор. В качестве примера рассмотрим двухвходовый элемент И-НЕ на двух КМДП-ключах. Здесь Т и Т образуют первый КМДП-ключ, а Т и Т – второй такой ключ. Нижние, n- канальные транзисторы Т и Т этих ключей соединены последовательно. Оба они открыты только когда на оба их затвора (входа) напряжения, превышающие пороговые (единицы. При этом выход элемента будет подключён к земле, тек узлу с нулевым потенциалом. От узла с потенциалом +ЕПИТ выход отключён, так как р- канальные транзисторы закрыты. Единица на выходе появится только когда один или оба канальных транзистора будут закрыты. В этом случае выход элемента будет подключён через один или оба открытых р-канальных транзистора к узлу с потенциалом +ЕПИТ. Последовательное соединение основных транзисторов ключей обеспечивает функцию И, а инверсные свойства самих ключей функцию НЕ. Поэтому рассматриваемый элемент выполняет функцию И-НЕ. При необходимости схему можно дополнить ещё одним или несколькими КМДП-ключами. Тем самым будут образованы ещё один или несколько дополнительных входов. Схема двухвходового элемента ИЛИ-НЕ. Здесь основные канальные транзисторы КМДП-ключей соединены параллельно. Выход будет подключен к земле если открыт хотя бы один из этих транзисторов (функция ИЛИ. Инверсные свойства ключей обеспечивают функцию ИЛИ-НЕ такого элемента. Оба рассмотренных элемента легко превращаются в инвертор. Для этого их входы должны быть соединены. В том случае х = х, вторые и третьи строки в таблицах истинности выпадают. Добавление инвертора на выход элементов превращает их в И и ИЛИ. Второй билет) Энергетические диаграммы собственного и примесного полупроводника. Картинка + Примесь создает уровень в запрещенной зоне, который поставляет электроны в зону проводимости, либо принимает на себя электроны из валентной зоны Энергия ионизации донора минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне, чтобы перевести его в зону проводимости. Энергия ионизации акцептора — это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень. Энергия ионизации примесных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных атомов полупроводника или ширины запрещенной зоны. Поэтому в примесных полупроводниках при низких температурах преобладают носители заряда, возникшие из-за ионизации примесей. Если электропроводность полупроводника обусловлена элекронами, его называют полупроводником типа, если электропроводность обусловлена дыркамиполупроводникомр-типа. 17) МДП транзисторы с индуцированными встроенным каналом. Устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом поясняет Здесь МДП-структура дополнена двумя снабженными металлическими контактами«островками» n + типа, между которыми может возникать канал типа Эти области называют стоком и истоком. Внутренние контакты с помощью обычных, омических контактов с металлом выведены на поверхность, что позволяет соединять их с внешними цепями. Благодаря высокой степени легирования, контакты обладают ничтожным сопротивлением. Изображён МДП-транзистор с необходимыми для работы подключениями. Здесь используется основная схема включения – с общим, или заземлённым истоком. Это название отражает очевидное в такой схеме исток заземлён и является общим узлом для источников Uзи и си. Чем больше Uзи, тем больше толщина канала, концентрация свободных электронов в нём и поэтому больше ток с. При любых Uзи < Такие транзисторы менее распространены, т.к. подвижность дырок меньше, чем подвижность свободных электронов. При равных прочих условиях в канальном транзисторе ток в несколько раз больше. Полное название такого транзистора – МДП-транзистор с индуцированным каналом типа, обусловлено тем, что под воздействием поля затвора в нем появляется(индуцируется)канал со свойствами полупроводника с электронной проводимостью. Существуют и канальные МДП-транзисторы. В них используется МДП структура с полупроводником типа. Р-канал появляется при отрицательном напряжении Uзи < U0. Такие транзисторы менее распространены, т.к. подвижность дырок меньше, чем подвижность свободных электронов. При равных прочих условиях в канальном транзисторе ток в несколько раз больше. МДП транзисторы со встроенным каналом Они находят ограниченное применение из-за необходимости затрачивать энергию на поддержание состояния отсечки транзистора изготовления дополнительного слоя между истоком истоком. Этот слой выполняет функцию канала, который существует в таком транзисторе и при Uзи =0. Как ив транзисторах с индуцированным каналом, в МДП транзисторах со встроенным каналом в зависимости от напряжения на затворе наступает обогащение или обеднение канала. При достаточно сильном обеднении, те. при Uзи< U0, наступает режим инверсии полупроводника под затвором. Канал исчезает, транзистор запирается. Стоко- затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом типа изображена. Здесь же штриховая линия соответствует канальному варианту транзистора 32. Изготовление подложек интегральных схем Основным типом элементов современной электронной аппаратуры являются полупроводниковые интегральные схемы (ИС). Все элементы ИС очень тонкие, плоские и располагаются в приповерхностном слое общего кристалла полупроводника – подложки. Их изготовление осуществляется обработкой одной из поверхностей плоской подложки. Нижняя поверхность подложки при этом не используется. Технология изготовления таких ИС часто называется планарной, те. плоскостной. Планарная технология стала возможной благодаря применению главной технологической операции – фотолитографии. Её задачей является создание так называемой маски на поверхности подложки. В типичном случае фрагмент подложки с маской имеет вид Здесь защитный слой маски – двуокись кремния SiO2 на поверхности кремниевой подложки. Окна маски делают доступной для обработки поверхность полупроводника в необходимых местах. Подготовленная к фотолитографии кристаллическая кремниевая подложка с идеально обработанной поверхностью. Создание защитного слоя SiO2, например окислением кремния. 47. Логические элементы на биполярных транзисторах (ТТЛ элемент. Схема простейшего двухвходового ТТЛ-элемента И-НЕ. Большим недостатком простейшего ТТЛ-элемента является низкая нагрузочная способность (способность нормально работать при подключении к выходу входов большого числа других таких же или аналогичных элементов. С увеличением числа нагрузочных элементов сопротивление нагрузки уменьшается, а емкость нагрузки возрастает. Его основу образует многоэмиттерный транзистор (МЭТ), который отличается от обычного интегрального биполярного транзистора (БТ) наличием не одной, а нескольких эмиттерных областей (например, двух. Наличие нескольких эмиттеров позволяет реализовать самые разные логические функции, в том числе – основные – И, ИЛИ, НЕ и их комбинации. Изготовление многоэмиттерного БТ требует тех же технологических операций, что и для обычного транзистора и не усложняет изготовление ИС. В МЭТ, в отличие от обычного транзистора, не один, а несколько равноценных эмиттерных переходов. Поэтому при подаче прямого напряжения на любой из этих переходов начинается инжекция неосновных носителей в базу и может быть получен активный или насыщенный режим. ТТЛ-элемент используется в цепях с цифровыми сигналами, те. на входах появляются сигнал "0" (напряжение низкого уровня, обычно близкое кВ, или сигнал "1" (напряжение высокого уровня, обычно близкое к напряжению источника питания. Если, например, на входе xl присутствует сигнал 0 (те. напряжение, близкое кто на первом эмиттерном переходе МЭТ действует прямое напряжение и этот переход открыт. Аналогичная картина наблюдается и при сигнале 0 на входе хи при сигналах 0 на обоих входах. В любом таком случае открыт хотя бы один эмиттерный переход МЭТ, напряжение база МЭТ – земля близко кВ и недостаточно для отпирания Т. Только при подаче на оба входа МЭТ (на все имеющиеся входы) сигналов 1 напряжение на всех эмиттерных переходах МЭТ обратное, и все они заперты. В этом случае ток от плюса источника через R1 проходит через коллекторный переход МЭТ и поступает в базу Т. Т открыт, напряжение на выходе ТТЛ-элемента близко к 0. Таким образом, логика работы рассматриваемого ТТЛ- элемента описывается таблицей истинности вида Третий билет 3. Электропроводность собственного и примесного полупроводника. Зависимость электропроводности от температуры Способность вещества пропускать ток называется электропроводностью. Электропроводность определяется, главным образом, плотностью концентрации, или просто концентрацией подвижных носителей – их количеством в единице объёма. Электропроводность полупроводников В физике полупроводников вместо понятий токи напряжение U удобнее пользоваться понятиями плотность тока J [А/м2] и напряжённость поля E[В/м].В этом случае закон Ома имеет вид J=E/ρ (3) или J=σE, (4) где ρ – удельное сопротивление [Ом/м], σ – удельная проводимость [См/м]. Очевидно, что электропроводность полупроводника тем больше, чем больше заряд свободных электронов и дырок –q и q, чем больше их концентрации n, пpичем быстрее они способны двигаться под действием электрического поля σ=q(µnn+µpp) (5) Здесь µn и µp -коэффициенты подвижности свободных электронов и дырок–средние скорости их движения под действием электрическогополяснапряжённостью1В/м. Подстановка(5)в(4)даёт: J=q(µnn+µpp)E (6) Электронная и дырочная составляющие плотности тока складываются, так как противоположны и направления движения свободных электронов и дырок изнакиих зарядов. Средняя скорость электронов (следовательно, и дырок) относительно невелика из-за столкновений электронов с атомами кристаллической решётки. При столкновениях часть кинетической энергии движущихся электронов передается атомам, чем вызывается выделение тепла в любой проводящей среде при протекании в ней тока. Электропроводность собственного полупроводника быстро (экспоненциально)растёт с увеличением температуры, так как при этом усиливается термогенерация электронно-дырочных пари растёт их концентрация. 18. Статические характеристики МДП транзисторов. Параметры МДП-транзисторов: пороговое напряжение, удельная крутизна, паразитные ёмкости: Статические характеристики МДП-транзистора Статическими характеристиками называю графики зависимости одних постоянных напряжений и токов электронных элементов и цепей от других их напряжений и токов. Примерами статических характеристик являются ВАХ диода Шотки или p-n диода. Транзистор всегда включается как четырёхполюсник, имеющий входи выход. Входные характеристики связывают входные напряжения и токи, выходные характеристики связывают выходные напряжения и токи. Проходные, или переходные характеристики связывают входные токи или напряжения с выходными. Примером статической характеристики является проходнаяхарактеристикаМДП-транзистора,рис.25. Она соответствует Рис зависимостям (34). Т.к. она связывает ток стока и напряжение на затворе, её называют так жестоко- затворной характеристикой. На рис.25штриховойлиниейизображенатакжестоко-затворная характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа. В таком транзисторе пороговое напряжение отрицательное, канал существует при отрицательных Uзи. На рис. 26 изображены выходные характеристики МДП-транзистора. Рис Они отражают зависимость выходного тока сот выходного напряжения си. Этот ток зависит ещё и от входного напряжения Uзи. Поэтому выходные характеристики обычно изображаются в виде семейства характеристик. Каждая из характеристик семейства соответствует некоторому неизменному Uзи. В результате семейство характеристик отображает обе важнейшие зависимости:Iс=f1(Uси)иIс= f2(Uзи). Выходные характеристики МДП-транзисторов имеют два характерных участка. Первый участок соответствует малым значениям си. В этой области канал по всей своей длине одинаков, его сопротивление к определяется только неизменным значением Uзи и поэтому к. При неизменном сопротивлении зависимость тока в канале сот напряжения на канале си подчиняется закону Ома. Отсюда название этого участка – омический, или резистивный. Он представляет собой отрезок прямой изначала координат. С дальнейшим увеличением си форма канала начинает изменяться,рис.27.Потенциал истока в схеме с общими стоком равен нулю и неизменен. Поэтому разность потенциалов затвор-канали сила поля вблизи истока также неизменны. Канал здесь сохраняет исходную толщину и концентрацию свободных электронов. Вблизи стока,потенциал которого равен си, разность потенциалов затвор канал равна Uзи- Uси. Поэтому с ростом си поле затвора Рис здесь ослабевает. Канал вблизи стока становится тоньше, к увеличивается. Омический участок характеристики сменяется участком насыщения. Ток стока не уменьшается, так как одновременно растет напряжение между стоком и истоком, увеличивающее скорость дрейфа носителей по каналу. При дальнейшем повышении си произойдет пробой p-n-прехода сток- подложка, и это приведет к резкому повышению тока стока за счет обратного лавинного тока перехода. Такие же по форме выходные характеристики имеют МДП транзисторы со встроенным каналом, рис. Они находят ограниченное применение из-за необходимости затрачивать энергию на поддержание состояния отсечки транзистора изготовления дополнительного слоя между истоком истоком. Этот слой выполняет функцию канала, который существует в таком транзисторе и при Uзи =0.Какивтранзисторахсиндуцированным каналом, в МДП транзисторах со встроенным каналом в зависимости от напряжения на затворе наступает обогащение или обеднение канала. При достаточно сильном обеднении, те. при Uзи< U0,наступаетрежиминверсииполупроводникапод затвором. Канал исчезает, транзистор запирается. Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом типа изображена на рис.29.Здесь же штриховая линия соответствует p канальному варианту транзистора Основные параметры МДП-транзистора Основным средством описания электрических свойств МДП-транзистора является система параметров. Параметры используются, в частности, при компьютерном моделировании, являющимся главным инструментом разработки, изготовления и эксплуатации электронных устройств. Одним из главных параметров МДП-транзистора является пороговое напряжение U 0 . От него зависит напряжение, мощность, размеры и стоимость источника питания МДП интегральных схем и отдельных МДП-транзисторов. Стоимость, размеры и масса источника может достигать половины этих характеристик самого электронного устройства (например, батареи гаджета). Пороговое напряжение определяется свойствами материалов МДП-структуры и её главным размером – толщиной диэлектрического слоя d: 0 МП П 0 МП 0 С N q 2 U , (32) сразу подставить сюда d C д 0 0 ))) Где – контактная разность потенциалов металл – полупроводник d – толщина диэлектрика q – элементарный электрический заряд – абсолютная электрическая постоянная – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика N – концентрация примеси в полупроводнике. Большинство величин в (32) диктуются общими особенностями современной технологии – выбором типа полупроводника (кремний, диэлектрика (SiO 2 ), металла (алюминий. Поэтому основным способом уменьшения U 0 является уменьшение d. На сегодня d составляет доли нанометра , те. всего несколько межатомных расстояний. В результате достигнуты U 0 ≈0,5 В. Это позволяет использовать источники питания с напряжением менее 1 В. Другим важнейшим параметром МДП-транзистора является барьерная ёмкость затвор-канал C зк : C зк = д = д, (33) где S – площадь затвора, W и L – ширина и длина затвора. МП 0 д П , От C зк зависит времяотпирания и запирания транзистора, те. его импульсные и частотные свойства. Поэтому W и L должны быть минимизированы. Однако это противоречит обеспечению необходимого тока в канале с. В мощных МДП-транзисторах это противоречие разрешается увеличением W до нескольких метров, чем увеличивается площадь поперечного сечения канала и понижается плотность тока в нм. Примером мощного МДП-транзистора является транзистору которого I c макс = 10 А, W = 2 м, L = 1 мкм. Проблема столь большой ширины канала в таких транзисторах решается изготовлением канала в форме меандра, рис. 24. Здесь изображены виды сверху на МДП-транзисторы с обычным (аи увеличенным (б) отношением W/L. Важным параметром является также удельная крутизна [А/В 2 ]. Она характеризует усилительные свойства МДП транзистора – зависимость полезного выходного тока сот входного напряжения U зи . В первом приближении эта зависимость описывается двумя уравнениями с = 0,5B(U зи - U 0 ) 2 , при U зи >U 0 (открытое состояние) (34) с = 0, при U зи (закрытое состояние) Рис. 24 Очевидно, что ток в канале стем больше, чем больше коэффициент подвижности носителей в канале µ, его ширина W и проницаемость диэлектрика д. Естественно также, что с уменьшается с увеличением толщины диэлектрика d (слабеет поле) и увеличением длины канала (растёт его сопротивление. Поэтому B = д (35) Главный коэффициент, характеризующий усиление электронных элементов и устройств – коэффициент усиления по мощностиК р = Р вых /Р вх . У МДП-транзисторов Кр может быть очень большим. Это связано стем, что вход транзистора, затвор отделён (изолирован) от канала диэлектрическим слоем. При постоянном входном напряжении U зи входного тока з практически нет и Р вх = U зи I з ≈ 0. Однако при переменном входном напряжении из-за наличия ёмкости затвор-канал появляется комплексный входной ток. Этот токи, следовательно, входная мощность тем больше, чем быстрее изменяется U зи при отпираниях и запираниях транзистора или чем выше частота усиливаемого сигнала. |