Ответы на экзамен по электронике. Экз электроника. Первый билет Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды
 Скачать 3.79 Mb.
|
|
дифференциатор. Рис. 50 Одиннадцатый билет 11. Контакт р- и n- полупроводников (p-n переход. Равновесное состояние. Примерами контактов являются контакты металлов, призванные беспрепятственно пропускать ток,контакт полупроводников p и n-типа(p-nпереход). 26. Шумы электронных приборов.(не из пособия) Обычно шумы в электронных приборах рассматриваются как стационарные случайные процессы во временной или частотной области. Основными источниками шумов являются шумы полупроводниковых приборов, электронных ламп и сопротивлений, обусловленные происходящим в этих приборах процессом движения дискретных электрических зарядов. Изменение количества электронов в единицу времени создают непрерывные колебания тока около какой-то постоянной средней величины. Эти колебания называются флуктуациями тока, которые обусловлены дискретной природой электричества. Таким образом, шумы усилительных элементов представляют собой малые беспорядочные колебания (флуктуации) выходного тока около своего среднего значения (рис. 10.1). Собственные шумы электронных ламп и транзисторов ограничивают предел возможного усиления малых сигналов. Шумовые свойства транзисторов и ламп определяются следующими составляющими так называемым дробовым шумом, шумом, обусловленным перераспределением тока между электродами усилительного элемента шумом, вызванным эффектом мерцания эмиттирующих электродов (фликкер- эффект тепловым шумом. Напряжение собственных шумов усилительного устройства измеряют при закороченных попеременному току входных зажимах, те. при U вх = 0. 41. Особенности схемотехники цифровых интегральных схем. Технология изготовления ИС практически не ограничивает разработчика в количестве элементов, но ограничивает количество их типов до 2 – 3, иногда даже одного типа. Это особенно характерно для цифровых ИС (ЦИС. Ещё одна особенность ЦИС – использование ключей одного типа во всех её частях. Для ЦИС характерен специфический набор главных параметров. Скорость изменения состояния ключей, которое определяет быстродействие (тактовую частоту fC) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается средним временем переключения t: t = (t01 + t10) / 2, где t01 и t10 – время перехода ключа из состояния 0 в состояние 1 и наоборот, соответственно. Энергопотребление ключей оценивается средней потребляемой мощностью Р Р = (Р + Р) / 2, (7) где Р и Р – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1. Главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия, затрачиваемая на одно изменение состояния ключа. В настоящее время эта величина приближается кДж. Зная Pt можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая электрическая энергия переходит в тепловую, те. рассеивается в виде тепла, эту мощность называют рассеиваемой мощностью Ррасс. Очевидно, что Ррасс пропорциональна Pt, количеству ключей m и количеству их переключений в секунду, те. тактовой частоте fC: Ррасс = Pt · m · fC Особенностью ЦИС является также высокая помехоустойчивость Очевидно, что если напряжение, которое отличает нулевое состояние от единичного выбрано правильно, а именно U1/2, то помеха ошибок не вызывает. 56. Аналого-цифровые интегральные схемы. АЦП и ЦАП. Разнообразный класс образуют дискретно-аналоговые ИС. В таких ИС сигналы на входах и выходах могут быть и цифровыми, и аналоговыми. Типичными задачами, решаемыми дискретно-аналоговыми ИС, являются преобразование цифрового сигнала в аналоговый и обратное преобразование. Первые из них получили название цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП. Вторые – аналого-цифровые преобразователи (АЦП. Очевидно, что схема основывается на инвертирующем включении ОУ с ООС (см. разд. 5.6). Входное четырёхразрядное двоичное число определяет состояние ключей схемы – замкнутое или разомкнутое. Так, если замкнут только ключ S0, с учётом свойств инвертирующего включения Uвых = Uвх о = оп о ≈ оп (Rn / R0), (17) где оп – опорное напряжение. В общем случае, поскольку при четырех ключах возможны 16 состояний схемы, Uвых ≈ оп (Rn / R0)z , (18) где z = 0, 1, 2....15. Точность преобразования двоичного кода в аналоговое напряжение зависит, главным образом, от точности и стабильности опорного напряжения, точности и стабильности отношений сопротивлений резисторов схемы. Последнее обеспечивается сильной корреляцией параметров элементов ИС. На выходе ЦАП напряжение будет нечисто аналоговым, а ступенчатым. Более точное приближение к аналоговому сигналу достигается увеличением разрядности ЦАП, те. увеличением числа ключей и резисторов схемы. Схема простейшего АЦП приведена на рис. 55. Здесь ОУ выполняют функцию компаратора. Согласно (12), если напряжение на неинвертирующем входе ОУ больше, чем на инвертирующем, выходное напряжение положительное и считается логической единицей, тех. В противном случае х = 0. На все неинвертирующие входы АЦП подаётся входное напряжение Uвх. На инвертирущие входы подаются напряжения с резистивного делителя напряжения. Эти напряжения зависят от опорного напряжения оп и от точки подключения входов к делителю (чем ниже по схеме, тем меньше. Поэтому при любом мгновенном значении Uвх часть компараторов выработает 1, другая часть – 0. Происходит преобразование аналогового входного напряжения в некоторое двоичное четырёхразрядное число. Как ив случае ЦАП, точность преобразования определяется точностью и стабильностью опорного напряжения, сопротивлений резисторов и количеством разрядов. Если рассматривать погрешность преобразования ∆ Uвх как некоторую помеху, шум, то отношение сигнал/шум S/N в децибелах можно приближённо рассчитать по формуле S/N ≈ Z ∙ 6 дБ , (19) где Z – разрядность преобразователя. Двенадцатый билет 12. P-n переход контактная разность потенциалов, толщина, напряжение пробоя, ёмкость p-n перехода. 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 +, рис На границе p и n областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dn/dx и dp/dx. Поэтому в p-n переходе даже в отсутствие внешнего напряжения происходит диффузия основных носителей в смежную область, те. наблюдается диффузионный ток основных носителей Iдф. При этом в p-n + переходе dn/dx » dp/dx и поэтому будет преобладать электронная составляющая диффузионного тока Iдф.n. В p + -n переходе dn/dx « dp/dx и поэтому будет преобладать дырочная составляющая Iдф.p. Контактную разность потенциалов в отсутствие внешнего напряжения k0 можно найти по формуле Подставив сюда значение термического потенциала при комнатной температуре В, типичные значения концентрации примесей асимметричного p-n перехода для базы 1016, для эмиттера 1018 см и собственную концентрацию кремния при комнатной температуре см, получим типичную величину Другим важнейшим параметром p-n перехода является его толщина, или ширина, w. За w принимается протяженность приграничных областей сне скомпенсированными ионами примесей, или, что тоже самое, толщина обеднённого слоя Для кремниевого p-n перехода при указанных выше исходных данных мкм, что также является типичной величиной. При подаче прямого напряжения переход сужается, а при подаче обратного напряжения расширяется. В этих случаях его толщину можно рассчитать, подставляя вместо φk0 в (б) φk из (23) или (24). От толщины перехода зависят его барьерная ёмкость (16), напряжение лавинного пробоя и другие важные параметры. В предположении однородности поля p-n перехода его напряжённость составит величину и может достигать сотен кВ/см. Поэтому p-n переход при обратном напряжении можно использовать, как ёмкостный элемент. При прямом напряжении это невозможно, т.к. в этом случае появляется на несколько порядков больший активный прямой ток. Подставив (26) в (16) с учётом того, что при обратном напряжении к = кобр, получим 27. Компьютерное моделирование диодов и транзисторов. Компьютерное моделирование электронных элементов заключается в поиске их эквивалентных схем и математических описаний, делающих возможным достаточно точный компьютерный анализ сложных схем с такими элементами. Компьютерное моделирование электронных элементов заключается в поиске их эквивалентных схем и математических описаний, делающих возможным достаточно точный компьютерный анализ сложных схем с такими элементами. Сегодня количество элементов в интегральных схемах может достигать 109 и более. Примерно столько же уравнений в описывающей схему системе уравнений. Решение таких систем иногда невозможно даже с использованием суперкомпьютеров. Поэтому разработка компьютерных моделей элементов – это всегда компромисс между их точностью и сложностью [4]. Рассмотрим возможности моделирования полупроводникового диода на примере диода на основе p-n перехода. Простейшей компьютерной моделью полупроводникового диода является идеальный электронный ключ, обладающий нулевым сопротивлением при прямом напряжении и бесконечным – при обратном. Такая модель отражает главное свойство диода – одностороннюю проводимость. Однако при этом не учитывается наличие прямого и обратного сопротивлений, их нелинейность, наличие ёмкости p-n перехода и другие важные его свойства. Более совершенной является модель, основывающаяся на формуле Шокли (см.разд.4.3): Диод при этом моделируется как зависимый источник тока. Зависимость тока I от приложенного напряжения U описывается формулой Шокли (22). Но и такая модель не отражает важнейших свойств реального диода возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов(рис.51).Кроме того, эта модель не учитывает инерционные свойства диода согласно, ток диода не зависит от частоты и времени, те. его частотные и импульсные свойства идеальны. Более точной, наиболее сложной является модель на основе эквивалентной схемы рис. 52 и системы уравнений (54), (55), (56): Здесь диод также моделируется зависимым источником тока, однако эта зависимость описывается не одним, а тремя уравнениями. Это позволяет отобразить два близких к прямой линии участка ВАХ простейшими уравнениями первой степени. Это участок пробоя, уравнение (54) и линейная часть ВАХ при прямом напряжении, уравнение (56). Уравнение (55)– уравнение Шокли, которое хорошо описывает начальную часть ВАХ диода при прямом и небольших обратных напряжениях. В качестве примера компьютерной модели транзистора рассмотрим модель БТ с n-p-n структурой. Её прототип изображён на рис Здесь диоды моделируют эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) переходы. Принадлежащем выборе параметров этих диодов можно получить точное воспроизведение входной и выходной характеристик. Однако такая модель не отражает главное в процессах в БТ: взаимодействие переходов. В частности, при любом значении входного тока в ЭП выходной ток в КП не появляется. Поэтому естественным шагом является введение в эквивалентную схему зависимого источника выходного тока э, ток которого пропорционален входному току э, рис. Такая модель отражает важнейшее свойство БТ: в активном режиме возникает выходной ток, пропорциональный входному току. Обратные токи ЭП и КП игнорируются ввиду их малости в наиболее распространённых кремниевых транзисторах. Дальнейшим шагом является добавление ещё одного зависимого 73 источника тока к, который необходим в случае инверсного режима, когда входной ток подается в открытый КП, а в закрытом ЭП появляется выходной ток, рис И хотя инверсный режим не применяется, как малоэффективный (α>>αi), он иногда возникает в реальных схемах и полноценная модель должна это отражать. Следующим шагом является учёт ёмкости переходов, что обеспечивается добавлением параллельно диодам полной ёмкости КП Скп и полной ёмкости ЭП Сэп, рис. Модель пополнится уравнениями, учитывающими то, что ёмкость p– nпереходаприпрямомнапряжениидиффузионная,приобратномбарьерная.Таи другая зависят не только от знака приложенного напряжения, но и от его величины. Дальнейшее уточнение модели связано с необходимостью учёта активного сопротивления эмиттерной области э, базовой области б и коллекторной областей к, рис. э -сопротивление наиболее легированной области, в связи с чем это сопротивление часто принимается равным нулю. Много большую величину имеет сопротивление базы б, в связи с обязательно слабым легированием этой области. Сопротивление к учитывают в ключевом режиме, т.к. оно влияет на сопротивление открытого состояния. 42. Ключ на МДП транзисторах с одинаковым каналом. Большое распространение получили ключи на полевых транзисторах, действие которых основано на управлении рабочим током входным напряжением (полем, имеющие структуру металл-окисел- полупроводник (МОП–транзисторы) или, что одно и тоже, металл-диэлектрик-полупроводник (МДП- транзисторы. Для них характерно высокое входное сопротивление. Рис 2.7. Ключ на МДП-транзисторе с индуцированным каналом. При огромном входном сопротивлении Rвх>1012 Ом, нагрузочная способность ключа велика даже при больших Rc. Напряжение нижнего уровня МДП-ключа низкое (практически равно нулю, в отличие от ключа на биполярном транзисторе, у которого в насыщенном режиме на выходе имеется остаточное напряжение насыщения Uкэ нас. Быстродействие МДП-ключа целиком обусловлено только постоянной времени перезаряда паразитных емкостей – Свх и Свых. В составе ИС, вследствие малых размеров элементов на кристалле и, соответственно, малых паразитных емкостей, полевые ключи обладают высоким быстродействием. Классическая схема ключа с резистором Rc в стоковой цепи обладает неудовлетворительным быстродействием, так как паразитные емкости перезаряжаются через большие значения Rвх и Rc. Наличие высокоомных резисторов приводит к повышенному тепловыделению на кристалле, резисторы занимают значительную площадь, их изготовление в интегральной технологии взывает значительные трудности. Поэтому ключи со стоковой нагрузкой в современной интегральной схемотехнике не используется, но подобная схема широко используется в силовых МДП-ключах. Интегральный КМДП инвертор, показанный на Рис 2.9 реализуется на МДП транзисторе с индуцированным каналом VT1 и комплементарным транзистором VT1’; тоже МДП, нос индуцированным каналом. Полярность истока транзистора VT1’ должна быть отрицательна относительно стока, поэтому исток VT1’ подключен к +Еп. Когда на вход подан низкий уровень, транзистор VT1, заперта транзистор VT1’ открыт на выходе высокий уровень - напряжение +Еп. Если на вход подан высокий уровень, транзистор VT1 открыта транзистор VT1’ заперт на выходе низкий уровень – практически нуль. Поскольку в каждом состоянии один из транзисторов заперта входное сопротивление следующего каскада очень велико, ток в нагрузку практически не ответвляется сквозной ток вцепи питания отсутствует и статическая мощность, потребляемая от источника питания, ничтожно мала и определяется только токами утечки 57. Приборы с зарядовой связью. Матрицы для фототехники. ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремниевые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. До экспонирования – обычно, подачей определённой комбинации напряжений на электроды – происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток вовремя экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя. После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы. В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так кремниевая подложка типа оснащается каналами из полупроводника типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом типа создаётся потенциальная яма, назначение которой — хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его. Существуют Матрицы 1. Матрицы с полнокадровым переносом 2. Полнокадровая матрица 3. Матрицы с буферизацией кадра 4. Матрицы с буферизацией столбцов 5. Матрицы с ортогональным переносом изображения Тринадцатый билет 13. Идеализированная и реальная вольтамперная характеристика m-n и p-n диодов. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода, в основной своей части, как и ВАХ m-n контакта Шотки, описывается формулой Шокли (22). Подчиняющуюся этой закономерности ВАХ называют идеализированной, или теоретической ВАХ, рис. 16: Рис. 16 ВАХ реальных p-n и m-n диодов сильно отклоняются от идеальной ВАХ в области больших обратных напряжений, когда возникает пробой (участок пробоя. В области больших прямых токов отклонение обусловлено тем, что сопротивление заполненного носителями обеднённого слоя очень мало. При этом сопротивление перехода в целом определяется сопротивлением прилегающих к переходу областей, в первую очередь, сопротивлением базы r б . У диодов Шотки отклонение реальной ВАХ от экспоненты при больших токах проявляется слабее, т.к. для них слабое легирование полупроводниковой области нехарактерно. Значительное расхождение наблюдается также в допробойной части обратной ветви ВАХ. Согласно формуле Шокли при обратных напряжениях обратный ток неизменен и равен току насыщения I 0 . Однако в реальности на этот ток накладываются ещё несколько токов, растущих с увеличением U обр . Одной из составляющих обратного тока является ток утечки I ут , который обусловлен движением носителей не в самом контакте, а по его поверхности. Поверхность полупроводника взаимодействует с окружающей средой и, обладая сводными валентными связями, способна захватывать посторонние атомы. Их валентность, вероятнее всего, будет отличаться от валентности самого полупроводника, те. эти атомы будут для полупроводника донорными или акцепторными примесями. В результате поверхность окажется сильнолегированной и будет обладать повышенной электропроводностью. Ток утечки растёт с увеличением U обр и, складываясь с I 0, создаёт наклон допробойной части ВАХ. |