Ответы на экзамен по электронике. Экз электроника. Первый билет Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды
 Скачать 3.79 Mb.
|
|
28. Основные задачи электроники. Интегральные схемы. Наноэлектроника. Непрерывно растущие требования к электронным устройствам привели к отказу от использования дискретных (отдельных) электронных элементов и к началу эпохи интегральных схем (ИС). ВИС все элементы и соединения межу ними изготавливаются на общем кристалле полупроводника и надежно защищены от внешних воздействий прочным герметичным корпусом. При такой технологии изготовления успешно решаются важнейшие задачи электроники. Основными из них являются обеспечение следующих свойств устройств 1. Высокая надежность при практически неограниченном и непрерывно растущем количестве элементов 2. Малые размеры и масса 3. Низкая себестоимость 4. Низкое энергопотребление. Хотя на первом месте по значимости может казаться любое из указанных свойств, именно требования к надёжности привели в своё время к отказу от дискретных элементов. При большом количестве таких элементов надёжность оказывалась недопустимо низкой из-за большого количества соединений, использования ручного труда и связанными с этим ошибками, недостаточной защищённостью элементов и соединений. Первоначально всё, что связано с применением ИС, называлось микроэлектроника. В настоящее время утвердилось название электроника, которое охватывает области микроэлектроники, традиционной радиоэлектроники и уже появившейся наноэлектроники. 43. Ключ на комплементарных МДП транзисторах. В процессе переключения транзисторных ключей заряжаются и разряжаются так называемые паразитные ёмкости. Как правило, именно этот переходной процесс ограничивает быстродействие. Паразитные ёмкости в МДП ИС это прежде всего, ёмкость между затвором и каналом и ёмкость транзистора по отношению к подложке. ВИС на биполярных транзисторах это ёмкости p-n переходов и также ёмкость по отношению к подложке. Некоторую ёмкость по отношению к подложке имеют и соединительные проводники между транзисторами ИС. Условно можно считать, что на каждый ключ приходится некоторая суммарная ёмкость С. На рис. 20 изображена схема ключа на комплементарных МДП- транзисторах (КМДП-ключ). В нём нижний транзистор - с индуцированным каналом, верхний – с индуцированным каналом. Суммарная ёмкость С учитывает ёмкость затвор-канал транзисторов, их ёмкость по отношению к подложке, ёмкость соединения с нагрузкой и ёмкость самой нагрузки. Нагрузкой такого ключа в КМДП ЦИС всегда является вход другого такого же ключа или несколько таких ключей. Так как затворы МДП транзисторов, те. входы ключей, изолированы от всего остального слоем диэлектрика, можно пренебречь активной составляющей сопротивления нагрузки и считать сопротивление нагрузки ключа чисто ёмкостным. На рис. 21 представлены временные диаграммы КМДП-ключа при подаче на вход одиночного прямоугольного импульса. Если входное напряжение Uвх = 0, у канального транзистора Uзи = 0, у р-канального Uзи = - Епит. Поэтому нижний транзистор закрыт, верхний открыт. Цепь от + Епит к земле разорвана, потребляемого тока нет. Если Uвх = + Епит, нижний транзистор открыт, верхний закрыт. Потребляемого тока также нет. Поэтому в обоих статических (неизменяющихся) состояниях такой ключ тока и энергии не потребляет. Это делает КМДП-ключ чемпионом экономичности и объясняет его исключительно широкое распространение. Небольшой потребляемый ток (ток заряда i зар) , возникает здесь только на короткое время t 01, когда открывается верхний транзистор и через его канал заряжается суммарная ёмкость С. При этом С накопит энергию С /2 = СЕ пит ^2 /2. Такая же энергия превратится в тепло при протекании i зар в канале верхнего транзистора. Когда состояние ключа изменяется на противоположное, возникает ток разряда i разр . Он протекает через канал нижнего транзистора, в котором накопленная в С энергия превращается в тепло. Следовательно, согласно (7), средний расход энергии от источника питания на одно изменение состояния составит СЕ пит^2 /2. Поэтому у КМДП-ключа Соотношение (9) объясняет обе основные тенденции в разработке ЦИС. Во-первых, это стремление к уменьшению суммарной ёмкости С, которое достигается уменьшением минимального топологического размера w. Во-вторых, это уменьшение напряжения источника питания Е пит . Сегодня фотолитография обеспечивает w уже менее 10 нм, а напряжение источника питания ЦИС составляет менее 1 В. Напряжение питания не может быть меньше порогового напряжения U 0 МДП-транзисторов. В противном случае МДП-транзисторы не открываются. Снижение U 0 достигается уменьшением толщины диэлектрического слоя транзисторов. В настоящее время она составляет всего несколько межатомных расстояний и близка к своему пределу. 58. Жидкостно-кристаллические экраны. Основным типом информационных дисплеев являются жидкокристаллические дисплеи, ЖКД. Они получили массовое распространение (мониторы ПК, ТВ экраны, смартфоны, часы и т.п.). В ЖКД используется особый тип веществ – жидкие кристаллы (ЖК). Оптические свойства ЖК зависят от силы элетрического поля. Упрощенно работу ЖКД иллюстрирует рис. 52. Каждый элемент (пиксел) ЖКД имеет два прозрачных электрода, между которыми помещено ЖК вещество. С внутренней стороны имеется источник света, например, в виде светодиода с желаемой цветностью. Риса соответствует случаю, когда напряжение на электроды не подано и электрического поля нет. Молекулы ЖК при этом ориентированы хаотично и свет не пропускают. При подаче напряжения молекулы под действием поля ориентируются вдоль силовых линий поля и пропускают свет. В реальности пиксел ЖКД имеет более сложное устройство, рис. 53. Молекулы ЖК в отсутствие поля имеют спиралевидную форму и поэтому изменяют плоскость поляризации проходящего через ЖК света. При определённой толщине и свойствах слоя ЖК изменение плоскости поляризации может составлять 90° . В таком пикселе имеются два поляризацинных фильтра – внутренний горизонтальный, 1) и наружный (вертикальный, 2), те. отличающиеся поляризацией света на 90° . Входящий в пиксел свет поляризуется фильтром 1 горизонтально. Молекула ЖК в отсутствие поля обеспечивает поляризацию света на 90° . Поэтому свет приобретает вертикальную поляризацию и беспрепятственно проходит наружу через внешний поляризационный фильтр 2. Пиксел светится. Если на прозрачные электроды 3, 4 подано напряжение, молекулы ЖК «вытягиватся» и перестают изменять поляризацию света. Горизонтально поляризованный свет не проходит через внешний фильтр с вертикальной поляризацией, пиксел не светится. Очевидно, что яркость свечения зависит от силы электрического поля, те. от поданного на электроды напряжениея. Как уже отмечалось, цвет свечения зависит от цвета свечения светодиода. Поэтому каждый элемент изображения может содержать пикселы с красным, зелёным и синим светодиодами (RGB). Их суммарный свет, в зависимости от поданных напряжений, может создавать любой цвет свечения. Этот принцип является основным при содании цветных ЖКД. Управление свечением пикселов дисплея осуществляется контроллером, способным управлять матрицей ЖКД. Количество пикселов в ЖКД сегодня может достигать десятков миллионов (форматы HD, 4K). Четырнадцатый билет 14. Мощный выпрямительный диод, импульсные и высокочастотные диоды, стабилитрон, варикап. Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи Мощный выпрямительный диод К мощным относят высоковольтные и сильноточные диоды, переход которых способен выдерживать большие обратные напряжения (до нескольких кВ) и большие прямые токи (до нескольких кА). Согласно (27), при заданном обратном напряжении U обр < пр напряжённость поля в p-n переходе можно понижать, увеличивая толщину его обеднённого слоя w. Тем самым достигается увеличение напряжения пробоя пр. Увеличение w, согласно (б, достигается уменьшением концентрации примесей. Поэтому одну из областей, базу высоковольтного p-n диода делают слаболегированной. В m-n диодах Шотки пр намного меньше ив качестве высоковольтных диодов они не используются. Толщина p-n перехода будет ещё больше, если сделать слаболегированной и вторую область. Однако в этом случае уменьшатся градиенты концентрации обоих видов носителей и поэтому окажется небольшим диффузионный прямой ток. Поэтому вторую область перехода, эмиттер, делают сильнолегированной. Это позволяет сделать достаточно большой электронную или дырочную составляющие диффузионного тока. Тем самым обеспечивается необходимое значение прямого тока. Увеличение допустимого прямого тока достигается также за счёт увеличения площади p-n и m-n переходов. При этом снижается плотность прямого тока пр = пр, которая не должна превышать критического значения. Кроме того, при увеличении S уменьшается сопротивление открытого состояния, что уменьшает тепловые потери при больших токах. Особенно большой прямой ток достигается в диодах Шотки, так каких напряжение открытого состояния и тепловые потери в 2…3 раза меньше, чему диодов. Поскольку в ассиметричных p-n переходах (с эмиттером и базой) одновременно максимизируется обратное напряжение и прямой ток, именно такие, ассиметричные переходы наиболее распространены. Мощные выпрямительные диоды применяются в выпрямителях – преобразователях переменного тока в постоянный. Импульсные и высокочастотные диоды Импульсные диоды должны обладать минимальным временем переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В высокочастотных диодах минимальны паразитные реактивные составляющие токов. То и другое обеспечивается, в основном, минимизацией барьерной и диффузионной ёмкостей диодов. Уменьшение барьерной ёмкости m-n и p-n переходов, согласно (16), достигается уменьшением площади контакта S. На сегодня, благодаря интегральной технологии, она может составлять всего несколько десятков нм. Однако уменьшение S находится в противоречии с необходимостью обеспечить заданный прямой ток. Поэтому выбор S и других величин в (16) всегда компромиссен. Известны также попытки перехода от кремния к полупроводникам с меньшей величиной Диффузионная ёмкость отсутствует в диодах Шотки, что делает их основным типом для указанных применений. В диодах с p-n переходом диффузионную ёмкость удаётся уменьшить за счёт уменьшения толщины базы. На рис. 17 изображены p-n + диоды с обычной (аи тонкой базой (баб) Рис. 17 Тку этих диодов эмиттером является сильнолегированная область, при прямом напряжении будет наблюдаться преимущественно электронный диффузионный ток. Рис. 17 демонстрирует распределение свободных электронов в обоих диодах. Очевидно, что в диоде с тонкой базой пространство, где существует диффузионный заряда также сам этот заряд, намного меньше. Поэтому здесь намного меньше и диффузионная ёмкость. Согласно (17), диффузионную емкость p-n диода можно также уменьшить, уменьшив среднее время жизни неосновных носителей в базе τ. Для этого, например, можно несколько увеличить концентрацию примеси в базе, что вызовет более интенсивную рекомбинацию и уменьшение τ. Всё сказанное в равной степени относится к m-n и p-n переходам в интегральных схемах, где они используются не только в качестве диодов, но ив составе других элементов. Стабилитрон Стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжения в режиме электрического пробоя. В таком диоде используется кремниевый p-n переход, отличающийся способностью работать при температурах до 125 0 Си малой склонностью к возникновению теплового пробоя. Схема включения стабилитрона представлена на рис. 18: Рис. 18 Здесь U вх – нестабильное напряжение источника питания – батареи, аккумулятора, солнечной батареи и т.п. На стабилитрон подано обратное напряжение, достаточное для возникновения электрического пробоя. R огр не позволяет току в стабилитроне превысить предельно допустимое значение I обр.макс . Тем самым исключается переход электрического пробоя в тепловой. Сопротивление нагрузки н включено параллельно стабилитрону. Поэтому напряжения на них равны и близки к напряжению пробоя пр. Напряжение на нагрузке, в зависимости от крутизны участка пробоя, остаётся более или менее стабильным. ВАРИКАП Варикап – диод, предназначенный для работы в режиме управляемой барьерной ёмкости C б При обратном напряжении на p-n переходе ток в нём очень небольшой и, если есть переменная составляющая д, существует ёмкостная составляющая обратного тока I обр . Ёмкостный обратный ток тем больше, чем больше б и выше частота переменной составляющей. Его величина может намного превосходить активную составляющую обратного тока. 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 б = кобра+ N д )/qN а N д ] ½ (28) Из (28) следует, что барьерной емкостью можно управлять, изменяя обратное напряжение на p-n переходе. Таким образом, p-n диод при U обр является элементом с ёмкостью б, которую можно изменять. При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость бобр) была более сильной. В общем случае эта зависимость описывается выражением б = кобра+ N д )/qN а N д ] m (29) где m = 0,3…1. Схема включения варикапа приведена на рис. 19. Здесь варикап Рис. 19 включён как ёмкость последовательного колебательного контура. На него подаётся управляющее обратное напряжение упр. Изменяя это напряжение можно настраивать колебательный контур на необходимую резонансную частоту ω 0 = (1/√LC). Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи Устройство свето- и фотодиодов в целом одинаково, рис. 21. Одна из областей их p-n перехода очень тонкая, что позволяет возникающему в переходе свету излучаться в окружающее пространство (светодиод) или позволяет внешнему свету проникать в переход (фотодиод. В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии. Рис. 21 Интенсивная рекомбинация и свечение возможны только при протекании в светодиоде прямого тока от внешнего источника. Из (2) следует, что длина волны и цвет возникающего света определяются выражением λ = з, (31) где h – постоянная Планка, c – скорость света, з – ширина запрещённой зоны полупроводника. Согласно (31), цвет свечения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника. Кремниевые диоды излучают в инфракрасном, невидимом глазу диапазоне. Кремниевые светодиоды широко применяются, когда их работа не должна видимым светом мешать человеку, например, в пультах управления. Светодиоды на основе фосфида галлия производят красное свечение, на основе карбида кремния – жёлтое и т.д. Решена проблема получения любого цвета свечения. В частности, три различных светодиода – красный, зелёный и синий решают эту проблему в пикселах светодиодных экранов. Быстро развивается теория и практика гетеропереходов – p-n переходов с полупроводниками различного типа в p- и областях. Им свойственно особенно высокое разнообразие возможных электрических и светотехнических характеристик. В значительной степени решена проблема высокого кпд. светодиодов, который достигает нескольких десятков процентов. Поэтому, а также благодаря исключительно высокой надёжности, светодиоды интенсивно вытесняют лампы накаливания и газонаполненные приборы в осветительной и сигнальной аппаратуре. В фотодиодах внешний свет проникает в p-n переходи, если выполняется соотношение (31), вызывает в нём генерацию электронно-дырочных пар. Поскольку в переходе имеется собственное электрическое поле, ускоряющее для неосновных носителей, последние разводятся полем в противоположные стороны и, тем самым, увеличивают дрейфовую составляющую тока. Равновесие диффузионного и дрейфового токов нарушается ив режиме с замкнутой внешней цепью в ней появляется фототок. В режиме с разомкнутой внешней цепью на освещённом p-n переходе появляется фотоэдс, также возникающая в результате нарушения равновесного состояния. В обоих случаях фотодиод можно использовать для регистрации падающего на него света. В частности, кремниевый фотодиод помещают на управляемых внешним пультом электронных устройствах. Если в пульте применён кремниевый светодиод, энергия квантов его света, согласно (2) и (31), достаточна для генерации электронно-дырочных пар. Поскольку в освещаемом p-n переходе происходит преобразование световой энергии в электрическую, такие контакты используются в солнечных батареях. При идеально прозрачной атмосфере ив космосе мощность светового потока от Солнца на Земле достигает 1,4 кВт/м 2 29. Основные понятия и числовые характеристики надёжности. Основные понятия и числовые характеристики надёжности Основным понятием теории надёжности является отказ. Наступление отказов является случайной функцией времени, в связи с чем теория надёжности в значительной степени базируется на теории вероятности. Одной из главных числовых характеристик надёжности является интенсивность отказов λ: λ = n / Nt , (1) где n – количество отказов при испытании или эксплуатации объектов N – количество объектов t – время испытания или эксплуатации. В качестве единицы времени используется не принятая в СИ секунда, а более естественная в данном случае единица – час. Для наиболее совершенных ИС λ может составлять 10 -6 ч и менее. Первый отказ при испытании партии объектов может наступить очень быстро или, напротив, спустя очень большое время. Поэтому необходимо дождаться, по крайней мере, нескольких отказов (достоверной выборки. При определении λ большой проблемой является необходимость наблюдения за отказами большого количества объектов в течение большого времени. Ускорению появления отказов помогает увеличение температуры (ускоренные испытания. Согласно закону Аррениуса, скорость всех физических и химических процессов экспоненциально, те. очень быстро растёт с увеличением температуры. Именно такие процессы, например, коррозия, приводят к отказам. Наряду с λ часто используется среднее время наработки на отказ t ср : t ср = 1 / λ , (2) а также вероятность безотказной работы за время наработки на отказ p: p = e - λ/t , (3) где t - заданное время наработки на отказ. Для интенсивности отказов любого объекта характерна зависимость от времени вида рис. 1. Рис. 1 Участок 1 соответствует первому времени испытания или эксплуатации. Повышенная λ впервые часы (дни, недели) работы связана с незамеченными при изготовлении неочевидными, так называемыми скрытыми дефектами. Это могут быть, например, недостаточно качественные элементы или соединения ИС, погрешности изготовления ИС. Затем, когда все скрытые дефекты уже себя проявили, наступает наиболее благоприятный и продолжительный период надёжной работы, участок 2. Однако любым объектам свойственны старение или износ, приводящие к увеличению числа отказов (участок 3). Данная зависимость носит фундаментальный характер и распространяется на любые виды объектов. В частности, она относится к человеку, которому свойственны частые заболевания (отказы организма) в детстве, наилучшее состояние здоровья в зрелом возрасте и нездоровья в старости. Повышение надёжности ИС достигается тщательным выявлением скрытых дефектов. ИС с такими дефектами считаются браком и отбрасываются. Длительная надёжная работа ИС обеспечивается в основном, высококачественным корпусом, который защищает ИС от действия кислорода, влаги и агрессивных примесей воздуха, отсвета и некоторых других видов радиации, от механических повреждений, от насекомых, пыли. В результате отбраковки потенциально ненадёжных ИС и помещения ИС в прочный герметичный корпус надёжность ИС удаётся значительно увеличить (штриховая линия на рис. 1). |