Первый билет

• Название: Первый билет
• Дата: 14.02.2023
• Размер: 2.86 Mb.
• Имя файла: Elektronika_shpora.docx
• Тип: Документы; #937160
• страница: 15 из 16

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 < U_пр напряжённость поля в p-n переходе можно понижать, увеличивая толщину его обеднённого слоя w. Тем самым достигается увеличение напряжения пробоя U_пр. Увеличение w, согласно (26б), достигается уменьшением концентрации примесей. Поэтому одну из областей, базу высоковольтного p-n диода делают слаболегированной. В m-n диодах Шотки U_пр намного меньше и в 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 J_пр = I_пр/S, 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 как их напряжение открытого состояния и тепловые потери в 2…3 раза меньше, чем у p-n 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 нм². 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 εε₀.

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 (а) и тонкой базой (б):


а) б)

Рис. 17

Т.к. у этих диодов эмиттером является сильнолегированная n-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 заряд, а 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 и в 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 125⁰ С и 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 R_н включено параллельно стабилитрону. Поэтому напряжения на них равны и близки к напряжению пробоя U_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 N_д, существует ёмкостная составляющая обратного тока I_обр. Ёмкостный обратный ток тем больше, чем больше C_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 = _к0 + U_обр, получим: C_б = [2εε₀(_к0 + U_обр)(N_а + N_д)/qN_аN_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 C_б, которую можно изменять.

При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость C_б(U_обр) была более сильной. В общем случае эта зависимость описывается выражением

C_б = [2εε₀(_к0 + U_обр)(N_а + N_д)/qN_аN_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 U_упр. Изменяя это напряжение можно настраивать колебательный контур на необходимую резонансную частоту ω₀ = (1/√LC).

Свето- и фото-диоды. Солнечные батареи Устройство свето-и фото-диодовв 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 = hc/W}з^{, (31)}

где h – постоянная Планка, c – скорость света, W_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 n-областях. Им свойственно особенно высокое разнообразие возможных электрических и светотехнических характеристик.

В значительной степени решена проблема высокого к.п.д. 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 переход и, 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 и в режиме с замкнутой внешней цепью в ней появляется фототок. В режиме с разомкнутой внешней цепью на освещённом p-n переходе появляется фото-э.д.с., 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 и в космосе мощность светового потока от Солнца на Земле достигает 1,4 кВт/м².

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 отказовλ: 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^-1 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 (достовернойвыборки). 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, т.е. очень быстро растёт с увеличением температуры. Именно такие процессы, например, коррозия, приводят к отказам.

Наряду с λ часто используется среднеевремянаработкинаотказt_ср:

t_ср = 1 / λ , (2)

а также вероятностьбезотказнойработызавремянаработкинаотказp:

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 в первые часы (дни, недели) работы связана с незамеченными при изготовлении неочевидными, так называемыми скрытымидефектами. 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, от света 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).

44. Ключи интегральных схем: среднее время переключения, средняя потребляемая мощность, средняя работа переключения.

С переходом к интегральной технологии радикально изменилась схемотехникаэлектронных устройств (всё то, что относится к выбору элементного состава и разработке схем их соединений). Технология дискретных элементов позволяла использовать практические любой набор типов элементов при ограниченном их количестве. Технология изготовления ИС, напротив, 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 практически одного типа во всех её частях. Сегодня, почти всегда, это ключ на комплементарных МДП транзисторах. Остальные типы ключей используются сравнительно редко в ИС с невысокой степенью интеграции.

Для ЦИС характерен также специфический набор главных параметров. Очевидно, что очень важна скорость изменения состояния ключей, которое определяет быстродействие (тактовуючастотуf_C) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается среднимвременемпереключенияt:

t = (t₀₁ + t₁₀) / 2, (6),

где t₀₁ и t₁₀ – время перехода ключа из состояния 0 в состояние 1 и наоборот, соответственно. Иногда t называют также среднимвременемраспространения сигнала.

Однако не менее важным является энергопотребление ключей, от которого зависит количество выделяющегося в ЦИС тепла и поэтому, предельное количество транзисторов и степень интеграции. Энергопотребление ключей оценивается среднейпотребляемой мощностью Р:

Р = (Р₀ + Р₁) / 2, (7),

где Р₀ и Р₁ – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1.

Ни один из этих параметров сам по себе не характеризует качество применяемых ключей.

Быстродействие можно увеличить за счёт увеличения расхода энергии (потребляемого тока), расход энергии можно снизить ценой уменьшения быстродействия. Поэтому главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия, затрачиваемая на одно изменение состояния ключа. В настоящее время эта величина приближается к 10^-12 Дж.

Зная Pt можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая ИС электрическая энергия переходит в тепловую, т.е. рассеивается в виде тепла, эту мощность называют рассеиваемой мощностью Р_расс. Очевидно, что Р_расс пропорциональна Pt, количеству ключей m и количеству их переключений в секунду, т.е. тактовой частоте f_C:

Р_расс = Pt · m · f_C (8).

Выражение (8) даёт оценку максимального значения Р_расс, поскольку предполагает, что на каждом тактовом ^{периоде 1 / f}C ^{изменяются состояния всех ключей ЦИС. В действительности, выделение тепла может быть} значительно меньшим, например, при небольшой загрузке процессора.

В настоящее время Р_расс наиболее высокоинтегрированных ЦИС – процессоров достигает нескольких десятков Вт. Это позволяет относительно просто отводить от них тепло охлаждением вентиляцией воздуха.

Интересно, что по оценкам биологов, человеческий «процессор» – мозг, в процессе размышлений потребляет примерно такую же энергию. В ЦИС потребляется электрическая энергия потока электронов, в мозге потребляется химическая энергия потока крови.

Особенностью ЦИС является также высокая помехоустойчивость. На рис. 16 показан процесс наложения сильной помехи на цифровой сигнал (чередование 0 и 1). Очевидно, что если напряжение, которое отличает нулевое состояние от единичного выбрано правильно, а именно U₁/2, то помеха ошибок не вызывает.

Рис. 16

59. Интегральные схемы на переключаемых конденсаторах.

ИС на переключаемых конденсаторах

Из теории цепей известно, что на основе R, C элементов и усилителей можно построить аналоговые узлы с любыми амплитудно- и фазо-частотными характеристиками. Однако интегральная технология не позволяет изготовить R и С элементы с большим сопротивленеием и ёмкостью, точность и стабильность их параметров очень невелика.

Указанная проблема успешно решается в ИСнапереключаемыхконденсаторах.

Рассмотрим цепь на рис. 56. Здесь транзисторные ключи S1и S2, изготовление которых сложности не представляет, управляются так, что их состояния поочерёдно изменяются. Конденсатор С может обладать очень маленькой ёмкостью и поэтому его изготовление в виде МДП конденсатора трудности не представляет.




Рис. 56

Когда S1 замкнут, происходит заряд емкости С. Когда S1 разомкнут, возникает некоторый ток разряда. В результате от входа к выходу протекает некоторый средний ток. Можно доказать, что если ^{изменение состояний происходит с большой тактовой частотой f}c^{, то такая цепь ведёт себя как активное сопротивление со средней величиной R}экв ^{= 1/ С ∙ f}c^{. Эффектом квантования, непостоянства сопротивления} можно пренебречь, если тактовая частота f_c намного превышает частоты сигналов, подвергающихся обработке в цепях с такими R.

Сопротивление таких «резисторов» тем больше, чем меньше емкость С, и чем выше тактовая частота. То и другое облегчает изготовление ИС.

Фундаментальным свойством RC-цепей является также то, что вид и параметры их АЧХ и ФЧХ определяется не столько абсолютными величинами R и С, сколько постоянными времени τ RC-цепочек. Рассмотрим, например, интегрирующую RC-цепочку, рис.57,а. Её постоянная времени




Рис. 57,а Рис. 57,б

определяется выражением τ = RC. Если резистор такой цепочки заменить на эквивалентный «резистор» с переключаемым конденсатором, рис. 57,б, получим:

τ = R_эквC = С₂ / С₁f_c (20).

Таким образом, в ИС на переключаемых конденсаторах необходимые АЧХ и ФЧХ можно получить при использовании только удобных для изготовления в ИС элементов: МДП-конденсаторов с малой ёмкостью, транзисторных ключей, усилителей и генераторов тактовой частоты. Параметры таких ИС зависят от отношений ёмкостей МДП-конденсаторов, которые отличаются высокой точностью и стабильностью. Изготовление тактового генератора с точной и стабильной частотой также является типовой, успешно решаемой задачей.