Первый билет

• Название: Первый билет
• Дата: 14.02.2023
• Размер: 2.86 Mb.
• Имя файла: Elektronika_shpora.docx
• Тип: Документы; #937160
• страница: 5 из 16

Пятый билет

5. Диффузионный и дрейфовый ток

Дрейфовым током называется ток, обусловленный движением носителей

заряда под действием электрического поля. В общем случае дрейфовый ток может иметь электронную и дырочную составляющие.

Направленное движение носителей заряда может быть также результатом диффузии. Если происходит диффузия заряженных частиц, наблюдается

направленное перемещение зарядов, т.е. возникает диффузионный ток.

Диффузионный ток невозможен в однородной среде, концентрация подвижных зарядов в которой везде одинакова, а также при нулевой абсолютной температуре.

Плотности электронного и дырочного диффузионного токов, обусловленных диффузией свободных электронов и дырок: J_дф.n=qD_ndn/dx

J_дф.p=-qD_pdp/dx

где D_nи D_p– коэффициенты диффузии свободных электронов и дырок;

dn/dxи dp/dx– градиенты концентрации свободных электронов и дырок.
Коэффициенты диффузии, как и коэффициенты подвижности,

характеризуют среднюю скорость движения свободных электронов и дырок.

Она зависит от количества столкновений электронов с атомами

кристаллической решётки, а также от температуры, поскольку с ростом температуры растет скорость хаотического теплового движения. Поэтому коэффициент диффузии пропорционален коэффициенту подвижности и

температуре:

D=μkT/q

где k– постоянная Больцмана; T– абсолютная температура.
Градиент концентрации – это вектор, величина которого равна скорости

увеличения или уменьшения концентрации в некотором направлении. В общем случае он указывает направление наискорейшего увеличения концентрации или наискорейшего её уменьшения (антиградиент). ^{В формулах J}дф.n^{= qD}n^{dn/dxи J}дф.p^{= - qD}p^{dp/dx используются одномерные градиенты, учитывающие} изменение концентрации в главном

направлении x.

На рисунке изображен образец полупроводника, в левой части p+ которого концентрация дырок больше, чем в правой части р.



Ниже построены зависимости концентрации и градиента концентрации

дырок от координаты x. В переходной области будет происходить диффузия дырок слева направо. В глубине областей, где полупроводник однороден, диффузии не будет. Дырки в образце движутся вдоль положительного направления x. Согласно J_дф.p=- qD_pdp/dx, отрицательный градиент образца

дал бы отрицательное значение плотности тока и току, если бы это выражение не имело отрицательный знак.

20. Биполярный транзистор. Схемы включения. Режимы

Биполярный транзистор является электронным элементом с двумя р-n переходами.




Здесь изображён БТ со структурой n⁺–р–n, хотя возможна, но менее
распространена p⁺–n -p структура. В работе таких БТ принципиальных
отличий нет. Области БТ получили следующие названия: n⁺ – эмиттер (область, “испускающая” носители); р – база и n (область справа) –

коллектор (т.е. область, “собирающая” носители).

Каждая область снабжена омическими контактами металл-полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n

переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход, между базой и коллектором – коллекторный переход.

Важнейшимиособенностямиконструкцииявляются:

1. 
   малая толщина базы, не более 0,5 мкм;
   
2. 
   малая концентрация примеси в базе, порядка 1016 см-3;
   
3. 
   большая концентрация примеси в эмиттере, до 1020 см-3.
   

Только при соблюдении перечисленных условий БТ способен проявлять свои главные свойства: усиливать электрические сигналы, а также работать в качестве ключа.

Возможнычетырережима БТ:

1. 
   ЭП открыт, КП закрыт - активный, или усилительный режим. Единственный режим, в котором возможно неискажённое усиление сигналов;
   
2. 
   ЭП закрыт, КП закрыт – режим отсечки. Используется в ключе, закрытое состояние ключа;
   
3. 
   ЭП открыт, КП открыт – режим насыщения. Используется в ключе, открытое состояние ключа;
   
4. 
   ЭП закрыт, КП открыт – инверсный режим, обратный по отношению к активному режиму. Не используется, как не эффективный.
   

Биполярныйтранзистор в схемесобщейбазой



Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи, ток которого является алгебраической суммой контурных входного и выходного токов.

В открытом ЭП, благодаря прямому напряжению, снижаются ϕ_к и

потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток основных носителей I_э. При этом I_э имеет электронную I_эn и дырочную I_эp составляющие. Так как концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, I_эn >> I_эp. Поэтому в ЭП

наблюдается практически односторонний диффузионный ток свободных электронов в базу, так называемая инжекция.

Свободные электроны в базе являются неосновными носителями. Их

больше вблизи ЭП, откуда они поступают, поэтому в базе возникает градиент концентрации dn/dw и неосновные носители диффундируют к КП. КП заперт

напряжением U_кб, поэтому его электрическое поле для неосновных носителей – ускоряющее. Благодаря этому они извлекаются из базы в коллектор (экстракция). Появляется полезный выходной ток I_к.

Так как база тонкая и слаболегированная, при продвижении неосновных

носителей через базу только небольшая их часть рекомбинирует с основными носителями базы (не более 1...2%). В противном случае наблюдалось бы

значительное уменьшение выходного тока I_к.

Рекомбинация в базе несколько уменьшает концентрацию её основных

носителей — дырок. Электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной

примеси. Этот заряд создаёт так называемый рекомбинационный ток в выводе базы I_{б рек}. Еще одна составляющая тока базы легко обнаруживается при

разорванной цепи эмиттера. Тока в ЭП и инжекции при этом нет. В КП протекает небольшой по величине обратный ток коллектора I_кб0, создаваемый обратным напряжением U_кб.
Биполярныйтранзистор всхемесобщимэмиттером



При таком включении входным, управляющим током является самый

маленький ток БТ – ток базы I_б, составляющий обычно 1...2 % от токов I_э и I_к. Поэтому усиление по току достигает десятков – сотен раз, а усиление по мощности максимально.

35. Устройство и изготовление интегрального МДП транзистора.

Устройство МДП-транзистора




МДП-структура содержит металлический слой, слой диэлектрика и слой

полупроводника. Если используется самый распространённый полупроводник – кремний, то диэлектрик, как правило, двуокись кремния

SiO2. Такой диэлектрик на поверхности кремния легко создаётся путём его окисления. Диэлектрический слой всегда очень тонкий, что обеспечивает

проникновение электрического поля в полупроводник при подаче на структуру внешнего напряжения U_вн. Полупроводник может быть как n, так и p типа. МДП-структура дополнена двумя снабженными металлическими

контактами «островками» n⁺ -типа, между которыми может возникать канал n-типа. Эти области называют стоком и истоком.

Внутренние контакты с помощью обычных, омических контактов с металлом выведены на

поверхность, что позволяет соединять их с внешними цепями. Благодаря высокой степени легирования, контакты обладают ничтожным сопротивлением.

На рисунке изображён фрагмент подложки ИС с n-канальным МДП транзистором (интегральный МДП-транзистор).


Для изготовления такого транзистора понадобится подложка из

кремния р-типа (р-Si). После создания диэлектрического защитного слоя из двуокиси кремния (SiO₂ ) необходимо будет осуществить первую фотолитографию для вскрытия окон над будущими истоком и стоком.

Диффузия донорной примеси создаст под окнами островки n⁺ - типа. Затем будет выполнено 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. Особым растворителем удаляется засвеченный фоторезист, после чего изготовление транзистора и соединительных

проводников будет завершено.

Технология изготовления интегрального МДП-транзистора

представлена здесь несколько упрощённо. Тем не менее, простота изготовления очевидна. Уже только то, что для изготовления интегрального БТ понадобится до 5 – 6 фотолитографий, делает применение БТ в ИС

невыгодным.

50. Особенности схемотехники аналоговых интегральных схем.

Основной особенностью схемотехники аналоговых ИС (АИС) является использование аналоговых сигналов, описывающихся непрерывными функциями времени. У аналоговых устройств в каждый момент времени должно выполняться строгое соответствие между входным и выходным

сигналом. Например, в аудиоусилителе выходной сигнал пропорционален входному сигналу и нарушение этого соответствия воспринимается как искажение сигнала, вплоть до полной потери его разборчивости.

Единственный режим транзисторов и других усилительных приборов, в

котором аналоговое соответствие мгновенных значений сигналов возможно, это активный (усилительный) режим. Но и в этом режиме аналоговые

сигналы подвергаются искажениям из-за нелинейности элементов, помех, изменения температуры и питающих напряжений и других

дестабилизирующих факторов. Именно поэтому аналоговая электроника почти полностью вытеснена цифровой, сигналам которой свойственна высокая устойчивость к действию дестабилизирующих факторов.

Указанная особенность заставляет применять в АИС исключительные

меры по стабилизации напряжений, токов и режимов транзисторов. Так, в типичной АИС – операционном усилителе только 10 – 20% транзисторов выполняют основную функцию – усиление сигнала. Остальные транзисторы обеспечивают стабильность режимов и выполняют другие вспомогательные функции.

Как и в ЦИС, в АИС практически не применяются L, C, R и другие

элементы, «неудобные» для изготовления по интегральной технологии.

В АИС широко используется сильная корреляция параметров

интегральных элементов, которая позволяет снизить влияние отклонения

параметров элементов от номинальных значений.

Специфика АИС предопределила применение только нескольких типов хорошо зарекомендовавших себя узлов:

1. 
   Генератор стабильного тока;
   
2. 
   Токовое зеркало;
   
3. 
   Цепь сдвига уровня;
   
4. 
   Дифференциальный усилительный каскад.