Первый билет
 Скачать 2.86 Mb.
|
Седьмой билет7. Контактная разность потенциалов, токи в контактах веществ в отсутствие внешнего напряжения. Равновесное состояние.На границе металлов, проводников и полупроводников веществ всегда возникает электрическое поле, сила которого характеризуется напряжённостью поля Е или, чаще, контактнойразностьюпотенциаловφк. В качестве примера рассмотрим контакт двух металлов  Если металлы неодинаковы, неодинакова и сила этих потоков. В результате в одной из приграничных областей концентрация свободных электронов увеличится (обогащение), в другой – уменьшится (обеднение). Равенство по модулю положительных зарядов ядер и отрицательных зарядов электронов в этих областях нарушается, они приобретают заряд: отрицательный в обогащенной области, положительный в обеднённой области. Эти заряды создают в приграничных областях электрическое поле с контактной разностью потенциалов φк. Работа, которую надо совершить, для выхода электрона из металла, называется работой выхода. Численно она равна qφ, где φ – потенциал электрического поля на поверхности. Для металлов с работами выхода qφ1 и qφ2 контактная разность потенциалов определяется выражением: φк = φ1 - φ2 (14) Электрическое поле в контакте может способствовать или препятствовать движению подвижных носителей заряда. Потому распространён термин потенциальный барьер, высота которого равна φк. Собственные токи в контактах Так как проводники и полупроводники способны проводить ток, в контактах между ними в отсутствие внешнего напряжения могут возникать токи. контакт полупроводников, отличающихся только концентрацией донорной примеси Здесь левая область, обозначенная как n+, обладает более высокой концентрацией примесей и основных носителей – свободных электронов. В таком контакте существуют условия для возникновения диффузии: концентрация свободных электронов в n+ области больше, чем в n области, температура не равна нулю. Свободные электроны будут диффундировать из n+ области в n область (обозначены на рисунке кружками, стрелка указывает направление движения). Следовательно, в таком контакте существует диффузионный ток Iдф. В n+ области, теряющей часть отрицательных зарядов, возникает обеднение и образуется положительный заряд нескомпенсированных ионов донорной примеси (обозначены квадратами). В n области, в результате обогащения возникает избыточный отрицательный заряд. Поэтому появляется собственное электрическое поле с контактной разностью потенциалов φк. Это поле заставляет часть свободных электронов пересекать контакт в обратном направлении, т.е. порождает встречный дрейфовый ток Iдр. Устанавливается равновесное состояние: Iдф = Iдр (15) Токи равны и противоположны, поэтому тока во внешней цепи нет. Нарушение равновесия в отсутствие внешнего напряжения невозможно. Например, при возникновении преобладания Iдф из-за усиления диффузии увеличатся положительный и отрицательный заряд приграничных областей, усилится электрическое поле и возрастёт встречный Iдр. Равновесие восстановится. 22. Инерционные свойства МДП и биполярных транзисторов. Уменьшение инерционности: выбор типа полупроводника и размеров структур.Термины инерционные или динамические свойства транзисторов подразумевают их неспособность мгновенно реагировать на появление входного сигнала.  Главной причиной инерционности любых электронных элементов является наличие в них ёмкостных или индуктивных, т.е. реактивных составляющих токов и напряжений. Паразитная ёмкость обратно пропорциональна, а индуктивность прямо пропорциональна длине пути тока в проводниках и слоях элементов. Поскольку длины проводников и толщины слоёв полупроводниковых элементов минимальны, для них более характерно влияние паразитной ёмкости. Основным паразитным реактивным параметром МДП-транзистора является ёмкость между затвором и каналом Cзк Сложность учета влияния Cзк состоит в том, что эта ёмкость носит распределённый характер. На каждый элемент длины канала Δl приходится элемент сопротивления канала ΔRк и элемент ёмкости затвор-канал ΔCзк. Анализ цепей с распределёнными параметрами осложняется тем, что в нём появляется ещё одна переменная – расстояние x. Простая эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами. Здесь ёмкость ΔCзк условно отнесена к двум. Эти ёмкости, а также ёмкость между транзистором и окружающим его полупроводником Cп, стали основными параметрами, отражающими инерционные свойства МДП-транзистора Инерционные свойства БТ в значительной степени определяются ёмкостями его p-n переходов ЭП и КП. характер и величина ёмкости зависят от напряжений и токов переходов. Поэтому, наряду с величиной барьерной ёмкости ЭП и КП в отсутствие внешнего напряжения Cб0, к основным параметрам инерционности относят коэффициент влияния m (Cб = [2εε0(к0 + Uобр)(Nа + Nд)/qNаNд]m) Ещё один фактор инерционности БТ - относительно медленное перемещение инжектированных в базу носителей от ЭП к КП. Его влияние учитывается временем пролёта области базы, или просто временем пролета τпр Чтобы уменьшить инерционность нужно выбрать полупроводник n-типа, так как электроны быстрее дырок, и уменьшить размеры структур для увеличения быстродействия 37.Устройство и изготовление интегральных схем на комплементарных МДП транзисторах.Комплементарными называют такие пары объектов одного вида, некоторые свойства которых противоположны. Так, комплементарными являются n- и p-канальные МДП-транзисторы, биполярные транзисторы с n-p-n и p-n-p структурами фрагмент ИС с комплементарными МДП- транзисторами   Для изготовления такого транзистора понадобится подложка из кремния р-типа (р-Si). Создание диэлектрического защитного слоя из двуокиси кремния (SiO2) Нанесение фоторезиста Наложение фотошаблона Засветка Удаление фотошаблона Фотолитография Смывка незасвеченного фоторезиста Травление SiO2 плавиковой кислотой Смывка засвеченного фоторезиста Диффузия донорной примеси для создания n-кармана Фотолитография Диффузия донорной примеси для создания островков n+- типа Фотолитография Диффузия акцепторной примеси для создания островков р+- типа Фотолитография 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 52. Дифференциальный усилительный каскад. Дифференциальная и синфазная составляющие входного сигнала.Для усиления сигналов в АИС применяются дифференциальные усилительные каскады (ДУ). Схема простейшего ДУ на биполярных транзисторах  Блародаря интегральной технологии, параметры элементов ДУ практически одинаковы. При одинаковых входных напряжениях токи транзисторов равны, падения напряжения на резисторах также равны и поэтому Uвых = 0. Если Uвх1 ≠ Uвх2, токи плеч неодинаковы и появляется некоторое Uвых ≠ 0. В общем случае Uвых = Ku Uвх = Ku ( Uвх2 - Uвх1 ), (12), Согласно (12) выходное напряжение ДУ пропорционально разности (дифференту) входных напряжений, с чем и связано происхождение названия такого усилителя. При одинаковых (синфазных) Uвх1 и Uвх2 выходное напряжение остаётся равным нулю, т.е. ДУ нечувствителен к синфазным входным сигналам. Такими сигналами являются многие виды помех. При подаче дифференциальных сигналов (напряжения равной величины, но противоположных знаков) их разность является входным сигналом ДУ Uвх=ΔUб1-ΔUб2 В силу симметрии сигнал Uвх поделится поровну между обоими эмиттерными переходами: на одном из них напряжение увеличится на ½ Uвх, а на другом уменьшится на ту же величину. Приращение токов и коллекторных потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по величине, но разного знака Uвых=ΔUк1-ΔUк2 Свойства ДУ. В отсутствие Uвх электрический режим ДУ симметричен. Симметрию не нарушают изменение окружающей температуры и изменение питающего напряжения. В обоих случаях токи плеч изменяются. Но так как плечи одинаковые, изменения тоже одинаковы и симметрия сохраняется. Возможны дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее включения ДУ. На рис а представлено дифференциальное включение, соответствующее (12). На рис. б – инвертирующее включение, при котором выходное напряжение противофазно входному. На рис. в – неинвертирующее включение, при котором фазы входного и выходного напряжений совпадают.  Хотя в инвертирующем и неинвертирующем включениях сигнал подаётся только на один из входов, при этом «работают» оба транзистора ДУ. суммарный ток Т1 и Т2 стабилизирован ГСТ и всегда равен I0. Реальному ДУ свойственен ряд неидеальностей. Одной из самых существенных является невозможность обеспечения абсолютного равенства параметров элементов ДУ: сопротивлений R, параметров транзисторов. Поэтому у реального ДУ Uвых = Ku ( Uвх2 - Uвх1 ) ± Uсм , (13), где Uсм – напряжение смещения, обычно очень небольшое. Аналогичными свойствами обладают ДУ на МДП транзисторах .  |