Ответы на экзамен по электронике. Экз электроника. Первый билет Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды
 Скачать 3.79 Mb.
|
|
39. Роль и методы изоляции элементов интегральных схем. Роль Закрытый p-n переход идеальной изоляции не обеспечивает. В нём протекает небольшой обратный току перехода есть также некоторая барьерная ёмкость. То и другое должно учитываться при разработке ИС разработок топологии, способов изготовления фотошаблонов, совершенствования методов фотолитографии, способов и методов изоляции ИС. Методы изоляции 1. Изоляция обратно смещенным переходом. 2. Изоляция диэлектриком. 3. Комбинированные методы изоляции. Основным методом изоляции элементов от подложки является изоляция закрытыми p-n переходами. Поскольку внешние, граничащие с подложкой слои всех элементов являются полупроводником типа, а подложка – полупроводник р-типа, между элементами и подложкой существуют p-n переходы (см. рис. 8 – 12). Достаточно закрыть эти переходы подачей обратного напряжения, чтобы перевести их в закрытое состояние, в котором тока в переходе почти нет. На рис. 13 показано, как такая изоляция осуществляется в ИС с канальными МДП-транзисторами. Диоды здесь условно отображают существование p-n переходов между всеми частями транзистора и подложкой. Рис. 13 Принципиально возможна и диэлектрическая изоляция элементов ИС. Примером такой изоляции являются ИС кремний на сапфире, рис. 14. Рис. 14 Синтетический сапфир, в отличие от драгоценного природного сапфира, относительно недороги довольно часто применяется в различных технических устройствах. Он является отличным кристаллическим диэлектриком, очень прочен, прозрачен, устойчив к самым разным воздействиям. Его отличительной особенностью является также идеальное совпадение параметров кристаллической решётки с параметрами решётки кремния. Операционный усилитель с обратной связью. Формула Блэка. Обобщённая схема усилителя с обратной связью представлена на рис. 46. Операционный усилитель (ОУ) – одна из наиболее распространённых АИС, которая примененяется как самостоятельная ИС таки в составе ИС с большой степенью интеграции. Широкое применение ОУ обусловлено их исключительной универсальностью. На ОУ могут быть построены разнообразные усилители, фильтры, корректоры АЧХ и ФЧХ, преобразователи сигналов, генераторы сигналов различной формы. Она содержит усилитель с коэффициентом усиления по напряжению часть выходного сигнала которого возвращается на вход через цепь обратной связи с коэффициентом передачи β. Если обратная связь положительная ПОС, напряжение обратной связи U oc во входном сумматоре складывается с входным напряжением U вх . Если обратная связь отрицательная (ООС), эти напряжения вычитаются. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью K uoc определяется формулой Блэка: K uoc = K u /(1 ± β K u ) Здесь знак «+» соответствует ООС, знак «-» соответствует ПОС. На рис. 47 представлены инвертирующая (аи неинвертирующая (б) схемы на ОУ с ООС. В обоих схемах R1 и R2 образуют делитель напряжения, через который сигнал с выхода передаётся на вход, те. осуществляется обратная связь. Очевидно, что в такой цепи β = R1/(R1 + R2). Согласно (14), в неинвертирующем включении о = K u /(1 + β K u ) Так как у ОУ K u » 1 (до 10 6 ), легко выполняется условие β K u » 1 и поэтому единицей в скобках можно пренебречь. Тогда о ≈ K u /(β K u ) = 1 / β = 1 + R2/R1 Десятый билет 10. Контакт металл-полупроводник. Диоды Шотки 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. Некоторые металлы и полупроводники образуют так называемые контакты Шотки, обладающие односторонней проводимостью. При прямом напряжении пр они хорошо пропускают ток (открытое состояние, при обратном напряжении Uобр тока почти нет (закрытое состояние. Такие контакты используются в диодах Шотки и некоторых типах транзисторов. Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода контактирующего металлами полупроводника п. Если, например, q м q п, будет преобладать поток свободных электронов из металла в полупроводник. При этом в m-n переходе в приграничной области полупроводника образуется избыток свободных электронов, те. обогащенный слой, риса. В таком виде в контакте свободные электроны имеются во всех его частях, и поэтому он обладает очень маленьким электрическим сопротивлением, те. является омическим контактом. а) б) Рис. 13 ВАХ омического контакта линейна. Его главным параметром является сопротивление R, которое должно быть минимальным. Оно определяется, главным образом, параметрами полупроводниковой области, сопротивление которой намного больше. Удельное сопротивление, зависит от концентрации носителей n и их подвижности µn: R = ρL/S = L/ µnnS (18) Если м п, в m-n переходе преобладает поток электронов из полупроводника в металл, рис. б. В области образуется обеднённый слой. Уменьшение концентрации свободных электронов в обеднённом слое приводит к появлению здесь положительного заряда нескомпенсированных ионов донорной примеси. Заряды в приграничных областях создают собственное электрическое поле с контактной разностью потенциалов к = m – п (19) где к – контактная разность потенциалов в равновесном состоянии, те. в отсутствие внешнего напряжения. Чтобы получить открытое состояние контакта, необходимо подать на него прямое напряжение, плюс (больший потенциал) к m – области, минус (меньший потенциал) к n – области. Свободные электроны n – области начнут заполнять обеднённый слой, контактная разность потенциалов уменьшится, потенциальный барьер понизится к = к – пр (20) Распределение свободных электронов примет вид риса. Высокая концентрация свободных электронов во всех частях контакта обусловит протекание большого дрейфового тока, прямого тока пр. При обратном напряжении к = кобр) те. контактная разность потенциалов и потенциальный барьер возрастут. В обеднённом слое концентрация свободных электронов станет ещё меньше, сам слой расширится. Обратный ток Iобр будет ничтожным. Поэтому прим п m-n переход обладает односторонней проводимостью, те. является контактом Шотки. Аналогичная картина наблюдается в менее распространённом m-p контакте. Прим это контакт Шотки, прим омический контакт. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) омического контакта и контакта Шотки изображены на риса ирис. баб) Рис. 14 ВАХ контакта Шотки описывается формулой Шокли: I = I0(eU/ T – 1), (22) Термический потенциал T при комнатной температуре составляет 0,025 В, а прямые напряжения составляют десятые доли В. Потому при прямых (положительных) напряжениях единицей в скобках в формуле (22) можно пренебречь и ВАХ в области прямых напряжений, так называемая прямая ветвь - экспоненциальная. Ток насыщения, или тепловой ток I0 при неизменной температуре – константа, определяющаяся конструкцией и материалом контакта, а также степенью легирования полупроводниковых областей. Является параметром контакта. Этот ток называют тепловым из-за сильной зависимости от температуры. В контактах металл-полупроводник и двух полупроводников этот ток обусловлен дрейфом неосновных носителей через внутреннее поле контакта, которое является для них ускоряющим. Поскольку неосновные носители в примесных полупроводниках появляются за счет генерации (в основном, термогенерации), то и величина этого тока зависит непосредственно от температуры. При обратных напряжениях протекает незначительный тока при обратных напряжениях, превышающих напряжение пробоя пр, возникает электрический пробой и ток резко возрастает. Важнейшими достоинствами диодов Шотки являются - наименьшие по сравнению с другими диодами напряжения открытого состояния, в пределах 0,2…0,5 В. Это означает, что в диодах Шотки, по сравнению с другими диодами, при одинаковом прямом токе рассеиваемая мощность Pрасс = UпрIпр меньше. Поэтому диоды Шотки отличаются меньшими тепловыми потерями - в открытом состоянии ток в них дрейфовый, т.к. его диффузионная составляющая ничтожна. Поэтому у диодов Шотки нет диффузионной ёмкости, емкость чисто барьерная и небольшая, они отличаются высоким быстродействием. 25. Контакт проводник – вакуум. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы. Проводник в вакууме также можно рассматривать как контакт двух веществ, точнее, двух сред. В таком контакте возникает явление термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия, в дальнейшем просто эмиссия, является результатом обычной для контактов диффузии свободных электронов из металла (где их много) в окружающий вакуум (где их нет. Эмиссия тем интенсивней, чем меньше работа выхода из металла и чем выше температура. В простейшем электровакуумном приборе, диоде, вакуум создаётся в стеклянном, керамическом или металлическом баллоне. На условном обозначении диода он отображается кружком или овалом, рис. 48. Рис. 48 Эмиссия возникает в контакте металла катода с окружающим вакуумом. При косвенном накале катод нагревается с помощью расположенной внутри него нити накала до нескольких сотен градусов, а при прямом накале ток проходит через катод и разогревает его. Для улучшения эмиссионных свойств или получения необходимого тока эмиссии э подбирают специальный металл (иногда полупроводник) катода с минимальной работой выхода или покрывают его специальным составом. На небольшом расстоянии от катода располагается второй электрод – анод. Если напряжение на аноде по отношению к катоду положительное, анод создаёт между катодом и анодом положительное электрическое поле. Это поле заставляет электроны двигаться от катода к аноду. Возникает анодный тока. При отрицательном напряжении на аноде этого тока нет, так как эмиссия свободных электронов происходит только с катода, и конвекционный ток не протекает. Отсюда односторонняя проводимость, как ив диодах на основе m-n и p-n переходов. В электровакуумном триоде (рис. 49) имеется ещё один электрод – Рис. 49 управляющая сетка – сетчатый электрод, расположенный между катодом и анодом. Через просветы в сетке могут пролетать электроны. На управляющую сетку подаётся напряжение входного сигнала uвх и постоянное напряжение смещения от источника Ес. Суммарное напряжение на сетке uc = uвх + Ес, как правило, небольшое и отрицательное. При этом электроны не перехватываются сеткой и сеточного тока нет. В противном случае, при положительном uc, наблюдается захват сеткой части электронов из потока, идущего от катода к аноду. В результате появляется сеточный ток, растёт потребление мощности от источника сигнала, уменьшается коэффициент усиления по мощности. Уменьшается также полезный выходной тока. Расположение сетки, её густота, величины сеточного и анодного напряжения таковы, что суммарное поле сетки и анода вблизи катода положительное и возникает значительный а. В тоже время поле сетки сильно влияет на величину а т.к. она расположена намного ближе к катоду и эффективно управляет потоком электронов. В результате, из-за отсутствия или малости входного (сеточного) тока мощность источника сигнала ничтожна по сравнению с мощностью, выделяемой в нагрузке Рн = ан. Следовательно, лампа обладает большим коффициентом усиления по мощности. С ростом отрицательного напряжения на сетке суммарное поле у катода ослабевает. Это вызывает уменьшение тока анода а. При достаточно большом отрицательном напряжении на сетке uC ток анода а исчезает (режим отсечки. Электрические свойства триода хорошо отражает семейство анодных характеристик – зависимостей а от Ua при различных напряжениях на управляющей сетке с. Типичное триода изображено На рис. 50 изображено семейство анодных характеристик пентода, у которого соединены электрически все три сетки. По анодным характеристикам хорошо видно, что влияние сеточного Рис. 50 напряжения на анодный ток намного сильнее, чем влияние анодного напряжения. Так, изменение напряжения на управляющей сетке с -3 В до -6 В при неизменном Ua = 100 В уменьшит а на 14 мА. В тоже время для изменения а на 4 мА потребуется приращение Δ Ua = 200 В. Лампас двумя сетками, тес четырьмя электродами, называется тетрод, стремя сетками – пентод. В таких лампах имеются дополнительные сетки, улучшающие электрические свойства. Наряду со статическими характеристиками для описания свойств ламп используется следующие три дифференциальных (малосигнальных) параметра. Это крутизна анодно-сеточной характеристики S = а / dUc , внутреннее сопротивление Ri = а а, коэффициент усиления по напряжению = а / dUc . Все три параметра определяются при неизменности остальных токов и напряжений [1]. Из приведённых формул следует = SRi 40. Корреляция параметров элементов интегральных схем. Важнейшим общим свойством элементов ИС всех типов является сильная корреляция параметров. Функция корреляции – отражает степень близости случайных величин или функций. Так, типичной случайной функцией времени является уличная температура. В Москве и Подмосковье она отличается незначительно (сильная корреляция, в Москве ив какой-нибудь удалённой точке земного шара эти температуры могут отличаться очень сильно (корреляция близка к нулю. Параметры любых созданных человеком объектов, в том числе, параметры элементов ИС – это всегда случайные величины. Реальные параметры всегда, пусть незначительно, отличаются от идеальных из-за погрешностей производства. ВИС эти отличия обусловлены, в частности, несовпадением толщины слоёв полупроводника в изготовленных элементах с идеальными заданными значениями толщины. ИС создаются на основе принципа группового изготовления, те. изготавливаются сразу все элементы ИС. Поэтому погрешности технологических операций скажутся на отклонении толщин слови параметров всех элементов одинаково. Их параметры будут отличаться от идеала на один и тот же процент (сильная корреляция. Пусть, например, в ИС используется делитель напряжения вида рис. 15. Рис. 15 Главным параметром делителя является коэффициент передачи по напряжению К = UВЫХ / UВХ = R2 / (R1 + R2) = 1 / (R1/R2 + 1). Очевидно, что этот параметр зависит не от абсолютной величины сопротивлений, а от отношения R1/R2. Поэтому, если в результате погрешностей технологии величины R1 и R2 отклонятся от идеала на один и тот же процент, главный параметр К останется абсолютно точным. Сильная корреляция параметров элементов ИС широко используется в разработке ИС. Отношения параметров элементов при этом являются своего рода эталонами, от которых зависят главные параметры. 55. Примеры решающих схем на ОУ (сумматор, вычитатель, интегратор, дифференциатор, нелинейные операции Операционный усилитель (ОУ) – одна из наиболее распространённых АИС, которая применяется как самостоятельная ИС таки в составе ИС с большой степенью интеграции. Широкое применение ОУ обусловлено их исключительной универсальностью. На ОУ могут быть построены разнообразные усилители, фильтры, корректоры АЧХ и ФЧХ, преобразователи сигналов, генераторы сигналов различной формы. Первоначально ОУ предназначались для использования в аналоговых вычислительных устройствах. В сочетании с простейшими дополнительными элементами они способны выполнять математические операции над аналоговыми сигналами – их сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, логарифмирование и потенцирование. С этими связано название операционный усилитель. ОУ содержит 2 – 3, реже 4 дифференциальных усилительных каскада, включённых один за другим. Этим достигается практически неограниченная величина коэффициента усиления Ku, достигающая 106 раз. Наличие дифференциального входа позволяет применять дифференциальное, инвертирующее и не инвертирующее включения. На рис. 44 приведены схемы всех трех перечисленных вариантов включения. Здесь используется одно из двух общепринятых условных обозначений ОУ. В них инвертирующий вход помечен знакомили обозначен кружком рис. 45). Рис. 44 Рис. 45 На ОУ переносятся все свойства содержащихся в них ДУ – высокая устойчивость к изменениям температуры и питающих напряжений, возможность различных включений, нечувствительность к синфазным входным сигналам. Основное и уточнённое правило работы такие же, как у ДУ, (12) и (13). Параметры узлов на ОУ легко изменяются при использовании обратной связи. Обобщённая схема усилителя с обратной связью представлена на рис. 46. Она содержит усилитель с коэффициентом усиления Рис. 46 по напряжению Ku, часть выходного сигнала которого возвращается на вход через цепь обратной связи с коэффициентом передачи β. Если обратная связь положительная (ПОС, напряжение обратной связи Uoc во входном сумматоре складывается с входным напряжением Uвх. Если обратная связь отрицательная (ООС), эти напряжения вычитаются. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью Kuoc определяется формулой Блэка: Kuoc = Ku /(1 ± β Ku) (14) Здесь знак «+» соответствует ООС, знак «-» соответствует ПОС. На рис. 47 представлены инвертирующая (аи не инвертирующая (б) схемы на ОУ с ООС. В обоих схемах R1 и R2 образуют делитель напряжения, через который сигнал с выхода передаётся на вход, те. осуществляется обратная связь. Очевидно, что в такой цепи β = R1/(R1 + R2). Согласно (14), вне инвертирующем включении о = Ku /(1 + β Ku) (15) Так как у ОУ Ku «1 (до 106), легко выполняется условие β Ku» 1 и поэтому единицей в скобках можно пренебречь. Тогда о ≈ Ku / (β Ku) = 1 / β = 1 + R2/R1 (16) Риса Рис. б Следовательно, при достаточно большом усилении ОУ выполняются условия, при которых коэффициент усиления с ООС зависит только от отношения сопротивлений двух резисторов. При изготовлении резисторов по интегральной технологии, отношение их сопротивлений и о будет точными стабильным. Таким же будет и коэффициент усиления усилителя с ООС. В инвертирующем включении о ≈ R2/R1, те. показатели точности и стабильности также будут очень высокими. ООС имеет огромное значение не только в аналоговой электронике. ООС способна стабилизировать параметры самых разных систем – экономических, социальных, биологических и других. Так, некоторое подобие схемы на рис. 46 поддерживает неизменной температуру тела человека. Применение ООС в электронных усилителях не только уточняет и стабилизирует усиление, но и уменьшает искажения сигнала, шумы, напряжение смещения см. Всё это достигается ценой уменьшения коэффициента усиления. Последнее можно компенсировать увеличением числа усилительных каскадов (11). Одно из полезных проявлений действия ООС заключается в возможности расширения полосы частот усилителя, в которой обеспечивается равномерное усиление. На рис. 48 изображена АЧХ ООУ с ООС при различной глубине обратной связи. Полоса пропускания, ограниченная предельной частотой пр, расширяется во столько же раз, во сколько уменьшается коэффициент усиления. Рис. 48 Возможность выполнения математических операций над аналоговыми величинами (напряжениями) видна уже из выражения (12), согласно которому при дифференциальном включении осуществляется вычитание Uвх1 из Uвх2. Возможно суммирование и вычитание любого числа напряжений, умножение напряжения на коэффициент Kuoc. В качестве примера на рис приведена схема суммирования трех напряжений с одновременным умножением результата суммирования на коэффициент ≈ – 0,65. Рис. 49 На рис. 50 приведена схема интегратора на ОУ. Если поменять местами R и С этой схемы, она превращается в |