Ответы на экзамен по электронике. Экз электроника. Первый билет Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды
 Скачать 3.79 Mb.
|
|
7. Контактная разность потенциалов, токи в контактах веществ в отсутствие внешнего напряжения. Равновесное состояние. На границе металлов, проводников и полупроводников веществ всегда возникает электрическое поле, сила которого характеризуется напряжённостью поля Е или, чаще, контактной разностью потенциалов кВ качестве примера рассмотрим контакт двух металлов Если металлы неодинаковы, неодинакова и сила этих потоков. В результате водной из приграничных областей концентрация свободных электронов увеличится (обогащение, в другой – уменьшится обеднение. Равенство по модулю положительных зарядов ядер и отрицательных зарядов электронов в этих областях нарушается, они приобретают заряд отрицательный в обогащенной области, положительный в обеднённой области. Эти заряды создают в приграничных областях электрическое поле с контактной разностью потенциалов к. Работа, которую надо совершить, для выхода электрона из металла, называется работой выхода. Численно она равна qφ, где φ – потенциал электрического поляна поверхности. Для металлов с работами выхода qφ1 и qφ2 контактная разность потенциалов определяется выражением к = φ1 - φ2 (14) Электрическое поле в контакте может способствовать или препятствовать движению подвижных носителей заряда. Потому распространён термин потенциальный барьер, высота которого равна к. Собственные токи в контактах Так как проводники и полупроводники способны проводить ток, в контактах между ними в отсутствие внешнего напряжения могут возникать токи. контакт полупроводников, отличающихся только концентрацией донорной примеси Здесь левая область, обозначенная как n+, обладает более высокой концентрацией примесей и основных носителей – свободных электронов. В таком контакте существуют условия для возникновения диффузии концентрация свободных электронов в n+ области больше, чем в n области, температура неравна нулю. Свободные электроны будут диффундировать из n+ области в n область (обозначены на рисунке кружками, стрелка указывает направление движения. Следовательно, в таком контакте существует диффузионный ток Iдф. В n+ области, теряющей часть отрицательных зарядов, возникает обеднение и образуется положительный заряд нескомпенсированных ионов донорной примеси (обозначены квадратами. В n области, в результате обогащения возникает избыточный отрицательный заряд. Поэтому появляется собственное электрическое поле с контактной разностью потенциалов к. Это поле заставляет часть свободных электронов пересекать контакт в обратном направлении, те. порождает встречный дрейфовый ток др. Устанавливается равновесное состояние Iдф = др (15) Токи равны и противоположны, поэтому тока во внешней цепи нет. Нарушение равновесия в отсутствие внешнего напряжения невозможно. Например, при возникновении преобладания Iдф из-за усиления диффузии увеличатся положительный и отрицательный заряд приграничных областей, усилится электрическое поле и возрастёт встречный др. Равновесие восстановится. 22. Инерционные свойства МДП и биполярных транзисторов. Уменьшение инерционности выбор типа полупроводника и размеров структур. Термины инерционные или динамические свойства транзисторов подразумевают их неспособность мгновенно реагировать на появление входного сигнала. Главной причиной инерционности любых электронных элементов является наличие в них ёмкостных или индуктивных, те. реактивных составляющих токов и напряжений. Паразитная ёмкость обратно пропорциональна, а индуктивность прямо пропорциональна длине пути тока в проводниках и слоях элементов. Поскольку длины проводников и толщины слоёв полупроводниковых элементов минимальны, для них более характерно влияние паразитной ёмкости. Основным паразитным реактивным параметром МДП-транзистора является ёмкость между затвором и каналом Cзк Сложность учета влияния Cзк состоит в том, что эта ёмкость носит распределённый характер. На каждый элемент длины канала Δl приходится элемент сопротивления канала к и элемент ёмкости затвор-канал ΔCзк. Анализ цепей с распределёнными параметрами осложняется тем, что в нём появляется ещё одна переменная – расстояние x. Простая эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами. Здесь ёмкость ΔCзк условно отнесена к двум. Эти ёмкости, а также ёмкость между транзистором и окружающим его полупроводником п, стали основными параметрами, отражающими инерционные свойства МДП-транзистора Инерционные свойства БТ в значительной степени определяются ёмкостями его p-n переходов ЭП и КП. характер и величина ёмкости зависят от напряжений и токов переходов. Поэтому, наряду с величиной барьерной ёмкости ЭП и КП в отсутствие внешнего напряжения б, к основным параметрам инерционности относят коэффициент влияния m (б = кобра+ N д )/qN а N д ] m ) Ещё один фактор инерционности БТ - относительно медленное перемещение инжектированных в базу носителей от ЭП к КП. Его влияние учитывается временем пролёта области базы, или просто временем пролета пр Чтобы уменьшить инерционность нужно выбрать полупроводник типа, так как электроны быстрее дырок, и уменьшить размеры структур для увеличения быстродействия Устройство и изготовление интегральных схем на комплементарных МДП транзисторах. Комплементарными называют такие пары объектов одного вида, некоторые свойства которых противоположны. Так, комплементарными являются n- и канальные МДП-транзисторы, биполярные транзисторы си структурами фрагмент ИС с комплементарными МДП- транзисторами Для изготовления такого транзистора понадобится подложка из кремния р-типа (р. Создание диэлектрического защитного слоя из двуокиси кремния (SiO2) Нанесение фоторезиста Наложение фотошаблона Засветка Удаление фотошаблона Фотолитография Смывка незасвеченного фоторезиста Травление SiO2 плавиковой кислотой Смывка засвеченного фоторезиста Диффузия донорной примеси для создания кармана Фотолитография Диффузия донорной примеси для создания островков n+- типа Фотолитография Диффузия акцепторной примеси для создания островков р- типа Фотолитография 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 52. Дифференциальный усилительный каскад. Дифференциальная и синфазная составляющие входного сигнала. Для усиления сигналов в АИС применяются дифференциальные усилительные каскады (ДУ). Схема простейшего ДУ на биполярных транзисторах Блародаря интегральной технологии, параметры элементов ДУ практически одинаковы. При одинаковых входных напряжениях токи транзисторов равны, падения напряжения на резисторах также равны и поэтому Uвых = 0. Если Uвх1 ≠ Uвх2, токи плеч неодинаковы и появляется некоторое Uвых ≠ 0. В общем случае Uвых = Ku Uвх = Ku ( Uвх2 - Uвх1 ), (12), Согласно (12) выходное напряжение ДУ пропорционально разности (дифференту) входных напряжений, с чем и связано происхождение названия такого усилителя. При одинаковых (синфазных) Uвх1 и Uвх2 выходное напряжение остаётся равным нулю, те. ДУ нечувствителен к синфазным входным сигналам. Такими сигналами являются многие виды помех. При подаче дифференциальных сигналов (напряжения равной величины, но противоположных знаков) их разность является входным сигналом ДУ Uвх=ΔUб1-ΔUб2 В силу симметрии сигнал Uвх поделится поровну между обоими эмиттерными переходами на одном из них напряжение увеличится на ½ Uвх, а на другом уменьшится на туже величину. Приращение токов и коллекторных потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по величине, но разного знака Uвых=ΔUк1-ΔUк2 Свойства ДУ. 1. В отсутствие Uвх электрический режим ДУ симметричен. Симметрию не нарушают изменение окружающей температуры и изменение питающего напряжения. В обоих случаях токи плеч изменяются. Но так как плечи одинаковые, изменения тоже одинаковы и симметрия сохраняется. 2. Возможны дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее включения ДУ. На риса представлено дифференциальное включение, соответствующее (12). На рис. б – инвертирующее включение, при котором выходное напряжение противофазно входному. На рис. в – неинвертирующее включение, при котором фазы входного и выходного напряжений совпадают. 3. Хотя в инвертирующем и неинвертирующем включениях сигнал подаётся только на один из входов, при этом работают оба транзистора ДУ. суммарный ток Т и Т стабилизирован ГСТ и всегда равен I0. Реальному ДУ свойственен ряд неидеальностей. Одной из самых существенных является невозможность обеспечения абсолютного равенства параметров элементов ДУ: сопротивлений R, параметров транзисторов. Поэтому у реального ДУ Uвых = Ku ( Uвх2 - Uвх1 ) ± см , (13), где см – напряжение смещения, обычно очень небольшое. Аналогичными свойствами обладают ДУ на МДП транзисторах . Восьмой билет Барьерная и диффузионная ёмкость. Электроёмкостью, или просто ёмкостью, называется способность различных объектов накапливать и сохранять электрические заряды. Барьерной ёмкостью называют ёмкость таких объектов, в которых подвижные заряды сохраняются из-за отсутствия пути для их движения, те. для тока разряда, т.к. существует препятствие для этого тока например, диэлектрический слой конденсатора или диэлектрический слой между металлом и полупроводником МДП-структуры; подобное препятствие образует также обеднённый слой полупроводника концентрация подвижных носителей заряда в обеднённом полупроводнике может быть настолько малой, что он, как и диэлектрик, почти не проводит ток. Сб = εε0S/w (16) Диффузионной ёмкостью обладают объекты, в которых подвижные носители заряда диффундируют в некоторую полупроводниковую область и создают здесь диффузионный заряд. Cдф = τIдф/φт , (17) где т = kT/q - термический потенциал. В среднем, спустя время 2…3τ* большая часть носителей заряда погибает в результате рекомбинации с зарядами области, в которую они проникли. Поэтому диффузионный заряди диффузионная ёмкость существуют пока происходит приток новых носителей, те. при Iдф ≠ 0 или пока в областях есть диффузионный заряд. 23. Импульсные свойства МДП и биполярных транзисторов. Временные диаграммы. Импульсные свойства характеризуют реакцию транзисторного ключа на подачу на вход управляющего напряжения в виде импульса, вызывающего отпирание или запирание транзистора. схемы простейших ключей на МДП и биполярном транзисторах. Временные диаграммы eвх изображены на рис. 44, а,б. Стоки коллектор транзисторов через сопротивление R подключены к источнику питания Eпит. Хотя eвх изменяется скачкообразно, входное напряжение обоих ключей изменяется не мгновенно, так как требуется некоторое время на заряд входной ёмкости, рис. 44, в, г. Поэтому отпирание обоих транзисторов начинается с некоторой задержкой з. В течение этого времени напряжения на затворе и базе достигают порогового напряжения U0 и примерного напряжения отпирания эмиттерного перехода U*. В течение времени нарастания н завершается заряд Cвх, разряд Свых и другие переходные процессы. Токи достигают предельных значений Iс.нас и Iк.нас, что характерно для режима насыщения, используемого в ключах, рис. 44 де. Запирание транзисторов связано с разрядом Cвх и зарядом Свых. Кроме того, возвращение БТ в закрытое состояние сопровождается запаздыванием переходных процессов на время рассасывания tрасс. В течение этого времени БТ остаётся открытым из-за заряда неосновных носителей, накопившегося в базе в режиме насыщения. Этот заряд исчезает, рассасывается не мгновенно ив течение некоторого времени поддерживает ток экстракции. Результатом переходных процессов является появление времён t10 и t01, которые требуются ключам на переход из состояния логической 1 в состояние логического 0 и наоборот, рис. 44 ж,з 38. Пассивные элементы интегральных схем. Некоторые типы пассивных элементов могут быть изготовлены заодно с транзисторами, что не потребует усложнения технологии. На этом рисунке изображен фрагмент ИС на МДП-транзисторах, где одновременно с МДП-транзистором (слева) можно изготовить МДП- конденсатор (справа. Как ив обычном конденсаторе, верхней обкладкой является слой металла, изготавливаемый одновременно с металлическими контактами и затвором транзистора. Как ив обычном конденсаторе, под верхней обкладкой расположен диэлектрический слой, в данном случае SiO 2 . Затем следует нижняя обкладка в виде слоя, изготавливаемого заодно с истоком истоком транзистора. Ёмкость такого конденсатора, как и у обычного конденсатора, это барьерная ёмкость СВ ИС на биполярных транзисторах можно, не усложняя технологию, изготовить так называемый диффузионный резистор. Здесь слева БТ, справа – резистор. Его рабочей частью является р-слой, изготавливаемый одновременно с базами БТ. Базовый слой выбран, как наименее легированный и наиболее высокоомный слой БТ. Как и у обычного резистора, сопротивление определяется свойствами токопроводящей части и её размерами R = ρL / S Размеры такого элемента, как и всех других элементов ИС, очень ограничены. Поэтому сопротивление диффузионного резистора не превышает десятков килоом, что чаще всего недостаточно много. Название такого резистора связано с изготовлением его рабочей части с помощью диффузии примеси. 53. Операционный усилитель. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление, частотные характеристики. Операционными усилителями (ОУ) называется широкий класс усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенных для работы с глубокой обратной связью. ОУ содержит 2 – 3, реже 4 дифференциальных усилительных каскада, включённых один за другим. Этим достигается практически неограниченная величина коэффициента усиления Ku, достигающая 10 6 раз. Наличие дифференциального входа позволяет применять дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее включения. Схемы всех трех перечисленных вариантов включения. Здесь используется одно из двух общепринятых условных обозначений ОУ. В них инвертирующий вход помечен знакомили обозначен кружком Идеальным ОУ называется усилитель, обладающий очень высокими или, как принято говорить, идеальными параметрами. Основные характеристики такого ОУ: коэффициент усиления бесконечно велик (К → ∞); полоса пропускания бесконечно велика (∆𝐹 → ∞); входное сопротивление бесконечно велико (Rвх → ∞); выходное сопротивление бесконечно мало (Rвых → 0); выходное напряжение равно нулю при нулевом напряжении на входе. Коэффициент усиления ОУ определяется отношением изменения входного напряжения к вызвавшему его изменению напряжения между дифференциальными входами усилителя при разомкнутой цепи обратной связи. Коэффициент усиления ОУ без обратной связи зависит от сопротивления нагрузки, температуры окружающей среды, напряжения питания и др. Входное сопротивление. В зависимости от способа подачи входного сигнала в ОУ с дифференциальными входами различают дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление для синфазных сигналов. Дифференциальное входное сопротивление, те. сопротивление ОУ для входного сигнала, разность потенциалов которого приложена между дифференциальными входами ОУ, определяется величиной сопротивления между этими входами. Входное сопротивление для синфазного сигнала, те. сопротивление ОУ для входного напряжения, приложенного одновременно к обоим дифференциальным входам ОУ относительно земли, определяется сопротивлением между замкнутыми накоротко входами ОУ и заземляющей шиной. Выходное сопротивление – это сопротивление ОУ, измеренное со стороны подключения нагрузки. Величина выходного сопротивления определяет максимальную силу выходного тока независимо от вида нагрузки. Этот параметр особенно важен для ОУ с разомкнутым контуром обратной связи, например для компараторов. Полоса пропускания определяется видом частотной характеристики ОУ, те. зависимостью его усиления от частоты входного сигнала. Полоса пропускания, ограниченная предельной частотой пр, расширяется во столько же раз, во сколько уменьшается коэффициент усиления. Девятый билет 9. Электрический и тепловой пробой в контактах и структурах. Пробоем называется резкое возрастание тока в диэлектрике или обеднённом полупроводнике при достижении напряжения на таких слоях значения напряжения пробоя пр [2, 3, 6]. В допробойном состоянии, при |U| < пр, ток ничтожен, так как создаётся движением ничтожного количества подвижных носителей. Электрический пробой диэлектрического или обеднённого слоя возникает при превышении в нём напряжённости поля некоторой критической напряжённости Е кр . При этом напряжение необязательно большое, так как напряженность поля Е ≈ U/w будет большой и при малых напряжениях, если мала толщина слоя w. Типичным электрическим пробоем является лавинный пробой. При таком пробое сильное электрическое поле разгоняет свободные электроны до столь значительной скорости, что их кинетической энергии при соударениях с атомами диэлектрика или обеднённого полупроводника хватает для превращения валентных электронов атомов в свободные. Появляются новые свободные электроны, которые также разгоняются электрическим полем и соударяются с атомами. Концентрация свободных электронов и ток резко возрастают. Лавинный пробой считается обратимым, так как он исчезает приуменьшении напряжения на обеднённом слое. Тепловой пробой возникает, как правило, вслед за лавинным. Возросший при лавинном пробое ток увеличивает количество выделяющегося тепла, температура материала возрастает. В результате (если отводимая от материала мощность меньше рассеиваемой) усиливается термогенерация подвижных носителей, растёт их концентрация, ток становится ещё больше, температура ещё выше и т.д. Перегрев слоя приводит к его разрушению, поэтому тепловой пробой считается необратимым. При лавинном пробое исчезает главное полезное свойство диэлектрического или обеднённого слоёв – низкая электропроводность, при тепловом эти слои вообще разрушаются. 24. Частотные свойства МДП и биполярных транзисторов. Частотные характеристики. Частотные свойства характеризуют способность транзисторов обеспечивать усиление аналоговых сигналов на различных частотах. Такие сигналы, в отличие от цифровых (дискретных) сигналов, чаще отображаются функциями частоты, а не функциями времени. Частотные свойства транзисторов обычно описываются их амплитудно-частотными или фазочастотными характеристиками (АЧХ или ФЧХ). В качестве простейших усилителей на МДП и биполярных транзисторах можно рассматривать схемы на рис. 43. Принципиальным отличием аналоговых усилителей от ключей является использование активного (усилительного) режима, а не режимов отсечки и насыщения. Такой режим в рассматриваемых схемах способен обеспечивать входной источник. Создаваемое им входное напряжение должно содержать постоянную (режимную) составляющую напряжения на затворе или базе, необходимую для поддержания открытого состояния транзистора. Частотные свойства МДП транзисторов принято описывать частотной характеристикой комплексной крутизны S: S = с / U зи = S 0 / (1 + jω/ω s ), (47) где S 0 – крутизна при ω = 0, ω s – предельная частота крутизны. Из (47) можно получить выражения для модуля и фазы комплексной крутизны, те. для АЧХ и ФЧХ: |S| = S 0 / (1 + [ω/ω s ] 2 ) 1/2 , (48) φ = - arctg ω/ω s (49) Согласно (48), при ω = ω s , |S| = S 0 /√2. В графическом виде АЧХ и ФЧХ МДП транзистора изображены на риса. а) б) Рис. 46 ω s даёт преувеличенное представление о частотных возможностях МДП транзистора. На самом деле его коэффициенты усиления по напряжению и по мощности начинают снижаться на намного более низких частотах. Главной причиной этого является наличие неустранимой ёмкости затвор-канал, что легко устанавливается методами компьютерного моделирования. Частотные свойства БТ обычно описываются комплексным коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером β: β = к / б = β 0 / (1 + jω/ω β ) (50) где β 0 – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при ω = 0, ω β – предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ. Из (50) можно получить выражения для модуля и фазы комплексного коэффициента β, те. для АЧХ и ФЧХ: |β| = β 0 / (1 + [ω/ω β ] 2 ) 1/2 (51), φ = - arctg(ω/ω β ) (52) АЧХ и ФЧХ БТ в схемах с ОЭ и ОБ изображены на рис. б. Для схемы с ОЭ применяется также понятие граничная частота коэффициента передачи тока гр. На этой частоте |β| = 1, те. усилительные свойства потоку полностью утрачиваются, хотя коэффициент передачи по мощности может быть больше 1 за счет усиления по напряжению. Реже используется схема с общей базой, усиление которой значительно меньше. В тоже время такое включение обеспечивает равномерное усиление и минимальный фазовый сдвиг в намного бóльшей полосе частот |