Ответы на экзамен по электронике. Экз электроника. Первый билет Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды
 Скачать 3.79 Mb.
|
|
ЭП открыт, КП закрыт - активный, или усилительный режим. Единственный режим, в котором возможно неискажённое усиление сигналов 2) ЭП закрыт, КП закрыт – режим отсечки. Используется в ключе, закрытое состояние ключа 3) ЭП открыт, КП открыт – режим насыщения. Используется в ключе, открытое состояние ключа 4) ЭП закрыт, КП открыт – инверсный режим, обратный по отношению к активному режиму. Не используется, как неэффективный. Биполярный транзистор в схеме с общей базой Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи, ток которого является алгебраической суммой контурных входного и выходного токов. В открытом ЭП, благодаря прямому напряжению, снижаются к и потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток основных носителей э. При этом э имеет электронную э и дырочную э составляющие. Так как концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, э >> э. Поэтому в ЭП наблюдается практически односторонний диффузионный ток свободных электронов в базу, так называемая инжекция. Свободные электроны в базе являются неосновными носителями. Их больше вблизи ЭП, откуда они поступают, поэтому в базе возникает градиент концентрации dn/dw и неосновные носители диффундируют к КП. КП заперт напряжением U кб , поэтому его электрическое поле для неосновных носителей – ускоряющее. Благодаря этому они извлекаются из базы в коллектор (экстракция. Появляется полезный выходной ток I к Так как база тонкая и слаболегированная, при продвижении неосновных носителей через базу только небольшая их часть рекомбинирует с основными носителями базы (не более 1...2%). В противном случае наблюдалось бы значительное уменьшение выходного тока I к Рекомбинация в базе несколько уменьшает концентрацию её основных носителей — дырок. Электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной примеси. Этот заряд создаёт так называемый рекомбинационный ток в выводе базы б рек. Еще одна составляющая тока базы легко обнаруживается при разорванной цепи эмиттера. Тока в ЭП и инжекции при этом нет. В КП протекает небольшой по величине обратный ток коллектора I кб0 , создаваемый обратным напряжением U кб Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером При таком включении входным, управляющим током является самый маленький ток БТ – ток базы б, составляющий обычно 1...2 % от токов э и I к Поэтому усиление потоку достигает десятков – сотен раза усиление по мощности максимально. 35. Устройство и изготовление интегрального МДП транзистора. Устройство МДП-транзистора МДП-структура содержит металлический слой, слой диэлектрика и слой полупроводника. 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 внешнего напряжения U вн Полупроводник может быть как n, таки типа. 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. На рисунке изображён фрагмент подложки ИС с канальным МДП транзистором (интегральный МДП-транзистор). Для изготовления такого транзистора понадобится подложка из кремния р-типа (р. После создания диэлектрического защитного слоя из двуокиси кремния (SiO 2 ) необходимо будет осуществить первую фотолитографию для вскрытия окон над будущими истоком истоком. Диффузия донорной примеси создаст под окнами островки n + - типа. Затем будет выполнено напыление сплошного металлического слоя. На него будет нанесён фоторезист для второй фотолитографии. Удаление незасвеченного фоторезиста обнажит лишний металл, где его можно будет удалить травлением кислотой. Особым растворителем удаляется засвеченный фоторезист, после чего изготовление транзистора и соединительных проводников будет завершено. Технология изготовления интегрального МДП-транзистора представлена здесь несколько упрощённо. Тем не менее, простота изготовления очевидна. Уже только то, что для изготовления интегрального БТ понадобится до 5 – 6 фотолитографий, делает применение БТ в ИС невыгодным. 50. Особенности схемотехники аналоговых интегральных схем. Основной особенностью схемотехники аналоговых ИС (АИС) является использование аналоговых сигналов, описывающихся непрерывными функциями времени. У аналоговых устройств в каждый момент времени должно выполняться строгое соответствие между входными выходным сигналом. Например, в аудиоусилителе выходной сигнал пропорционален входному сигналу и нарушение этого соответствия воспринимается как искажение сигнала, вплоть до полной потери его разборчивости. Единственный режим транзисторов и других усилительных приборов, в котором аналоговое соответствие мгновенных значений сигналов возможно, это активный (усилительный) режим. Но ив этом режиме аналоговые сигналы подвергаются искажениям из-за нелинейности элементов, помех, изменения температуры и питающих напряжений и других дестабилизирующих факторов. Именно поэтому аналоговая электроника почти полностью вытеснена цифровой, сигналам которой свойственна высокая устойчивость к действию дестабилизирующих факторов. Указанная особенность заставляет применять в АИС исключительные меры по стабилизации напряжений, токов и режимов транзисторов. Так, в типичной АИС – операционном усилителе только 10 – 20% транзисторов выполняют основную функцию – усиление сигнала. Остальные транзисторы обеспечивают стабильность режимов и выполняют другие вспомогательные функции. Как ив ЦИС, в АИС практически не применяются L, C, R и другие элементы, неудобные для изготовления по интегральной технологии. В АИС широко используется сильная корреляция параметров интегральных элементов, которая позволяет снизить влияние отклонения параметров элементов от номинальных значений. Специфика АИС предопределила применение только нескольких типов хорошо зарекомендовавших себя узлов 1. Генератор стабильного тока 2. Токовое зеркало 3. Цепь сдвига уровня 4. Дифференциальный усилительный каскад. Шестой билет Контакты и структуры, используемые в электронике. M-n переход, p-n переход, МДП структура, n-p-n и p-n-p структуры. 6) В электронике используются самые различные вещества – проводники, полупроводники, диэлектрики. Они образуют самые разнообразные контакты, в которых наблюдаются контактные явления. Многослойные контакты называют структурами. Примерами контактов являются контакты металлов, призванные беспрепятственно пропускать ток, контакт полупроводников p и типа (p-n переход. Примерами структур являются электрический конденсатор, в котором контактируют металл, диэлектрики снова металл (структура МДМ), МДП-структура, в которой контактируют металл, диэлектрики полупроводник. МДП-структура является основой самого распространённого электронного элемента нашего времени МДП транзистора. m-n переход, контакт металл-полупроводник (m-n или m-p переход, относится к наиболее распространенным в электронике типам контактов. Чаще всего это обычный, омический контакт. Его сопротивление невелико, не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Ток в омическом контакте связан с напряжением законом Ома. Такие контакты совершенно необходимы для электрического соединения элементов или их частей друг с другом. Контакт p и n полупроводников, или p-n переход, как и m-n переход, является одним из распространенных видов контактов, используемых в электронике. Его главным свойством является односторонняя проводимость, те. способность хорошо проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения (прямое напряжение. При обратном напряжении ток на несколько порядков меньше. Как правило, одна из областей p-n перехода имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси д или акцепторной примеси а. Область с большей концентрацией примесей называют также сильнолегированной областью, с меньшей–слаболегированной. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область – эмиттером, слаболегированную – базой. Сильнолегированную область обозначают n + или p + Биполярный транзистор (в дальнейшем БТ) является электронным элементом с двумя р переходами(рис.34). Рис Здесь изображён БТ со структурой [2] хотя возможна, но менее распространена структура. В работе таких БТ принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия n + – эмиттер (область, испускающая носители р–база и n (нарис.34 – область справа) коллектор (те. область, собирающая носители. Каждая область снабжена омическими контактами металл полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором коллекторный переход (КП). 21. Схема с общей базой, схема с общим эмиттером. Соотношения токов, параметры и статические характеристики. Схема с общей базой Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи, ток которого является алгебраической суммой контурных входного и выходного токов. Соотношения токов Параметры В кремниевых транзисторах, наиболее распространённых сегодня, Iкб0 пренебрежимо мал. Поэтому α=Iк/Iэ. Коэффициент передачи эмиттерного тока транзистора в схеме включения с общей базой α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением Где н – сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи э -сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое. Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока сопротивление закрытого КП очень велико, н может на несколько порядков превышать э. Поэтому, К может достигать многих тысяч раз. На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции. Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса К, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП: Статические характеристики Общая база Входные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iэ(Uэб) при различных Uкб, те. ВАХ эмиттерного перехода. Эти характеристики представляют интерес только при прямых входных напряжениях. Они близки к обычной для ВАХ p-n перехода экспоненте. Положение входной характеристики несколько зависит от выходного напряжения Uкб. При увеличении этого напряжения увеличивается толщина обедненного слоя КП. Следовательно, уменьшается эффективная толщина базы w и возрастает градиент инжектированных вне свободных электронов dn/dw. Поэтому с ростом Uкб возрастает и диффузионный входной ток эффект Эрли). Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iк(Uкб) при различных токах эмиттера, те. ВАХ коллекторного перехода. По форме они такие же, как обратная ветвь ВАХ p-n перехода, но смещены от нуля назначение тока, созданного за счет инжектированных из эмиттера в базу электронов. В отличие от ВАХ p-n перехода, их принято помещать в первом квадранте, те. в перевёрнутом виде. Выходные характеристики обычно изображают в виде семейства характеристик. Это позволяет графически отразить не только зависимость Iк(Uкб), но и зависимость Iк(Iэ). По отношению к ВАХ p-n перехода выходные характеристики частично смещены в область прямых напряжений. Следовательно, к остаётся большим в отсутствие напряжения на КП и даже при небольших прямых напряжениях. Это объясняется тем, что экстракция неосновных носителей из базы осуществляется собственным полем КП. И только при небольших прямых напряжениях, близких к к, ток в нём исчезает из-за встречного диффузионного тока КП. Общий эмиттер Входные характеристики. Входное напряжение в схеме с общим эмиттером UбЭ это напряжение на ЭП. Входной ток–это почти неизменная часть тока ЭП: б ≈ Iэ/β.Поэтому входные характеристики Рис в схеме с общим эмиттером отличаются только обратным проявлением эффекта Эрли, те. влиянием выходного напряжения Uкэ на входной ток б. Когда с ростом Uкэ КП расширяется, абаза сужается, б уменьшается из-за уменьшения рекомбинации. Входные характеристики смещаются вправо, а не влево, как в схеме с общей базой. Выходные характеристики схемы общим эмиттером. Выходной ток к, как ив схеме с общей базой – это ток КП. Выходное напряжение Uкэ — это напряжение на КП плюс напряжение на ЭП: Uкэ=Uкб+Uбэ. Поэтому выходные характеристики на величину Uбэ смещены вправо и целиком находятся в первом квадранте. Из-за того, что выходное напряжение частично приложено и к ЭП, выходные характеристики имеют также более значительный наклон. 36. Устройство и изготовление интегрального биполярного транзистора. В некоторых отношениях биполярные транзисторы превосходят МДП-транзисторы. Кроме того, сначала в ИС использовались именно БТ. Поэтому, а также в силу инерции производства и рынка, ИС на основе БТ иногда ещё применяются (ИС на интегральных БТ). На рис. 10 изображён фрагмент подложки ИС с интегральным БТ наиболее распространённой структуры n- p-n. Очевидно, что изготовление такого транзистора потребует намного большего числа технологических операций (сравните с рис. 9). Рис. 10 Самый глубокий слой в таком БТ – это так называемый скрытый слой, те. слой с высокой концентрацией примеси. Его нельзя создать диффузией примеси сверху. Поэтому изготовление БТ начинается с эпитаксии на поверхности подложки сплошного слоя. Затем на него наращивается будущий коллекторный слой. Эти два слоя потребуется разделить на отдельные островки со структурой n + - n, в каждом из которых будет сформирован БТ. Для разделения островков понадобится первая фотолитография итак называемая разделительная диффузия акцепторной примеси, которая превратит промежутки между островками в кремний р-типа. Для создания базы (р-слой) и эмиттера (слой) потребуются ещё две фотолитографии и диффузии. Завершается изготовление напылением сплошного металлического слоя, ещё одной фотолитографией и травлением лишнего металла. 51. Генератор стабильного тока, токовое зеркало, цепь сдвига уровня. АИС – аналоговые интегральные схемы, использование аналоговых сигналов, описывающихся непрерывными функциями. Специфика АИС предопределила применение только нескольких типов хорошо зарекомендовавших себя узлов 1. Генератор стабильного тока 2. Токовое зеркало 3. Цепь сдвига уровня 4. Дифференциальный усилительный каскад. Генератор стабильного тока Стабилизация напряжения сравнительно просто осуществляется при использовании электрического пробоя p-n перехода (стабилитрон. В таком состоянии напряжение на переходе остаётся практически неизменным даже при больших изменениях тока. Более сложной задачей является стабилизация тока. Если стабильное напряжение обеспечивается элементами с вертикальной ВАХ (участок пробоя, то для стабилизации тока нужны элементы с горизонтальными ВАХ. Протяженными, почти горизонтальными участками ВАХ обладают выходные характеристики биполярного и МДП транзистора, рис. 37. Рис. 37 Поэтому основным типом генератора стабильного тока (ГСТ) является БТ или МДП транзисторы, включённые последовательно с цепью, в которой нужно стабилизировать ток (стабилизиремая цепь, СЦ на рис. 38 а,б,в). Величина стабилизируемого тока I 0 определяется режимом транзистора ГСТ, который задаётся входным током б в схеме с БТ или входным напряжением U зи0 в схеме с МДП транзистором. На рис. 38, представлена простейшая схема задания режима ГСТ. Здесь R1, R2, R3 определяют входной ток БТ, а диод D компенсирует температурные изменения режима. Рис. 38, а,б,в Токовое зеркало В АИС нередко возникает задача создания одинаковых или пропорциональных друг другу токов сразу в нескольких стабилизируемых цепях СЦ, рис. 39. Её решением является применение схемы токовое зеркало. Рис. 39 В такой схеме необходимое значение I 0 задается сопротивлением R. При этому Т установится некоторое напряжение U бэ0 . Так как все транзисторы схемы соединены участками база-эмиттер параллельно, такое же напряжение U бэ0 установится у всех транзисторов схемы. Если транзисторы одинаковые, что легко обеспечивается при интегральной технологии изготовления, одинаковые режимы одинаковых транзисторов приведут к равенству токов всех СЦ требуемой величине I 0 . Таким образом, режимы ведомых транзисторов Т, Т, Т повторяют, отражают режим ведущего транзистора Т. С этими связано происхождение названия схемы. Если необходимо неединичное отношение n токов ведущего и ведомого транзисторов, их изготавливают неодинаковыми. При этом изменяют только площадь эмиттерного перехода БТ, что не приводит к усложнению изготовления ИС. Поскольку ток инжекции и выходной ток БТ пропорциональны площади эмиттерного перехода э, у любого ведомого БТ, например у Т, можно получить ток nI 0 , где n = э / S э1 Аналогичные схемы применяются в МДП ИС. Цепь сдвига уровня АИС, как правило, имеют многокаскадную структуру. Включение усилительных каскадов один за другим позволяет получить любой желаемый коэффициент усиления K u = Ku 1 ∙ K u2 ∙ Ku 3 …. (11) Непосредственное подключение выхода одного каскада к входу следующего невозможно постоянное режимное) выходное напряжение каскадов, как правило, намного выше входного напряжения. Поэтому для соединения каскадов необходима некоторая цепь, отвечающая следующим требованиям 1) постоянные (режимные) напряжения на входе и выходе могут отличаться на любую желаемую величину. В типичном случае это отличие может составлять несколько Вольт 2) переменное напряжение (сигнал) должно передаваться от каскада к каскаду с возможно меньшим затуханием. Такая цепь получила название цепь сдвига уровня, ЦСУ. Е включение показано на рис. 40. На рис. 41 представлена типичная ЦСУ в АИС на биполярных транзисторах. Здесь цепочка диодов D1, D2, … D n создаёт необходимый Сдвиг уровня. Напряжение на переходах диодов – прямое, поэтому все они Рис. 40 Рис. 41 открыты. Напряжение U* на каждом из них составляет около 0,6…0,7 В. Ещё одно такое же напряжение возникает на открытом эмиттерном переходе вспомогательного транзистора Т. Поэтому полная разность напряжений на входе и выходе ЦСУ составляет (n+1) ∙U* Вольт. Этот сдвиг можно изменять, изменяя количество диодов. Такая схема отвечает и второму условию. Так как все p-n переходы ЦСУ открыты, они обладают малым дифференциальным сопротивлением (сопротивлением переменному току, те. сигналу. Седьмой билет |