Билеты экзамен

Термический потенциал T при комнатной температуре составляет 0,025 В, а прямые напряжения составляют десятые доли В. Потому при прямых (положительных) напряжениях единицей в скобках в формуле (22) можно пренебречь и ВАХ в области прямых напряжений, так называемая прямая ветвь - экспоненциальная. Ток насыщения, или тепловой ток I0 при неизменной температуре – константа, определяющаяся конструкцией и материалом контакта, а также степенью легирования полупроводниковых областей. Является параметром контакта. Этот ток называют тепловым из-за сильной зависимости от температуры. В контактах металл-полупроводник и двух полупроводников этот ток обусловлен дрейфом неосновных носителей через внутреннее поле контакта, которое является для них ускоряющим. Поскольку неосновные носители в примесных полупроводниках появляются за счет генерации (в основном, термогенерации), то и величина этого тока зависит непосредственно от температуры.

При обратных напряжениях протекает незначительный ток I0, а при обратных напряжениях, превышающих напряжение пробоя Uпр, возникает электрический пробой и ток резко возрастает.

Важнейшими достоинствами диодов Шотки являются:

-наименьшие по сравнению с другими диодами напряжения открытого состояния, в пределах 0,2…0,5 В. Это означает, что в диодах Шотки, по сравнению с другими диодами, при одинаковом прямом токе рассеиваемая мощность Pрасс = UпрIпр меньше. Поэтому диоды Шотки отличаются меньшими тепловыми потерями;

-в открытом состоянии ток в них дрейфовый, т.к. его диффузионная составляющая ничтожна. Поэтому у диодов Шотки нет диффузионной ёмкости, емкость чисто барьерная и небольшая, они отличаются высоким быстродействием.

25. Контакт проводник – вакуум. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы.

Проводник в вакууме также можно рассматривать как контакт двух веществ, точнее, двух сред. В таком контакте возникает явление термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия, в дальнейшем просто эмиссия, является результатом обычной для контактов диффузии свободных электронов из металла (где их много) в окружающий вакуум (где их нет). Эмиссия тем интенсивней, чем меньше работа выхода из металла и чем выше температура.

В простейшем электровакуумном приборе, диоде, вакуум создаётся в стеклянном, керамическом или металлическом баллоне. На условном обозначении диода он отображается кружком или овалом, рис. 48.

Рис. 48

Эмиссия возникает в контакте металла катода с окружающим вакуумом. При косвенном накале катод нагревается с помощью расположенной внутри него нити накала до нескольких сотен градусов, а при прямом накале ток проходит через катод и разогревает его. Для улучшения эмиссионных свойств или получения необходимого тока эмиссии Iэ подбирают специальный металл (иногда полупроводник) катода с минимальной работой выхода или покрывают его специальным составом.

На небольшом расстоянии от катода располагается второй электрод – анод. Если напряжение на аноде по отношению к катоду положительное, анод создаёт между катодом и анодом положительное электрическое поле. Это поле заставляет электроны двигаться от катода к аноду. Возникает анодный ток Iа. При отрицательном напряжении на аноде этого тока нет, так как эмиссия свободных электронов происходит только с катода, и конвекционный ток не протекает. Отсюда односторонняя проводимость, как и в диодах на основе m-n и p-n переходов.

В электровакуумном триоде (рис. 49) имеется ещё один электрод –

Рис. 49

управляющая сетка – сетчатый электрод, расположенный между катодом и анодом. Через просветы в сетке могут пролетать электроны. На управляющую сетку подаётся напряжение входного сигнала uвх и постоянное напряжение смещения от источника Ес. Суммарное напряжение на сетке uc = uвх + Ес, как правило, небольшое и отрицательное. При этом электроны не перехватываются сеткой и сеточного тока нет. В противном случае, при положительном uc, наблюдается захват сеткой части электронов из потока, идущего от катода к аноду. В результате появляется сеточный ток, растёт потребление мощности от источника сигнала, уменьшается коэффициент усиления по мощности. Уменьшается также полезный выходной ток Iа.

Расположение сетки, её «густота», величины сеточного и анодного напряжения таковы, что суммарное поле сетки и анода вблизи катода положительное и возникает значительный Iа. В то же время поле сетки сильно влияет на величину Iа т.к. она расположена намного ближе к катоду и эффективно управляет потоком электронов. В результате, из-за отсутствия или малости входного (сеточного) тока мощность источника сигнала ничтожна по сравнению с мощностью, выделяемой в нагрузке Рн = Iа2 ∙ Rн. Следовательно, лампа обладает большим коффициентом усиления по мощности.

С ростом отрицательного напряжения на сетке суммарное поле у катода ослабевает. Это вызывает уменьшение тока анода Iа. При достаточно большом отрицательном напряжении на сетке uC ток анода Iа исчезает (режим отсечки). Электрические свойства триода хорошо отражает семейство анодных характеристик – зависимостей Iа от Ua при различных напряжениях на управляющей сетке Eс. Типичное триода изображено На рис. 50 изображено семейство анодных характеристик пентода, у которого соединены электрически все три сетки.

Рис. 50

напряжения на анодный ток намного сильнее, чем влияние анодного напряжения. Так, изменение напряжения на управляющей сетке с -3 В до -6 В при неизменном Ua = 100 В уменьшит Iа на 14 мА. В тоже время для изменения Iа на 4 мА потребуется приращение Ua = 200 В.

Лампа с двумя сетками, т.е. с четырьмя электродами, называется тетрод, с тремя сетками – пентод. В таких лампах имеются дополнительные сетки, улучшающие электрические свойства.

Наряду со статическими характеристиками для описания свойств ламп используется следующие три дифференциальных (малосигнальных) параметра. Это крутизна анодно-сеточной характеристики S = dIа / dUc ,

= dUа / dUc . Все три параметра определяются при неизменности остальных токов и напряжений [1]. Из приведённых формул следует: = SRi

40. Корреляция параметров элементов интегральных схем.

Важнейшим общим свойством элементов ИС всех типов является сильная корреляция параметров. Функция корреляции – отражает степень близости случайных величин или функций. Так, типичной случайной функцией времени является уличная температура. В Москве и Подмосковье она отличается незначительно (сильная корреляция), в Москве и в какой-нибудь удалённой точке земного шара эти температуры могут отличаться очень сильно (корреляция близка к нулю).

Параметры любых созданных человеком объектов, в том числе, параметры элементов ИС – это всегда случайные величины. Реальные параметры всегда, пусть незначительно, отличаются от идеальных из-за погрешностей производства. В ИС эти отличия обусловлены, в частности, несовпадением толщины слоёв полупроводника в изготовленных элементах с идеальными заданными значениями толщины. ИС создаются на основе принципа группового изготовления, т.е. изготавливаются сразу все элементы ИС. Поэтому погрешности технологических операций скажутся на отклонении толщин слоёв и параметров всех элементов одинаково. Их параметры будут отличаться от идеала на один и тот же процент (сильная корреляция).

Пусть, например, в ИС используется делитель напряжения вида рис. 15.

Рис. 15

Главным параметром делителя является коэффициент передачи по напряжению КU = UВЫХ / UВХ = R2 / (R1 + R2) = 1 / (R1/R2 + 1). Очевидно, что этот параметр зависит не от абсолютной величины сопротивлений, а от отношения R1/R2. Поэтому, если в результате погрешностей технологии величины R1 и R2 отклонятся от идеала на один и тот же процент, главный параметр КU останется абсолютно точным.

Сильная корреляция параметров элементов ИС широко используется в разработке ИС. Отношения параметров элементов при этом являются своего рода эталонами, от которых зависят главные параметры.

55. Примеры решающих схем на ОУ (сумматор, вычитатель, интегратор, дифференциатор, нелинейные операции).

Операционный усилитель (ОУ) – одна из наиболее распространённых АИС, которая применяется как самостоятельная ИС так и в составе ИС с большой степенью интеграции. Широкое применение ОУ обусловлено их исключительной универсальностью. На ОУ могут быть построены разнообразные усилители, фильтры, корректоры АЧХ и ФЧХ, преобразователи сигналов, генераторы сигналов различной формы. Первоначально ОУ предназначались для использования в аналоговых вычислительных устройствах. В сочетании с простейшими дополнительными элементами они способны выполнять математические операции над аналоговыми сигналами – их сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, логарифмирование и потенцирование. С этим и связано название «операционный усилитель».

ОУ содержит 2 – 3, реже 4 дифференциальных усилительных каскада, включённых один за другим. Этим достигается практически неограниченная величина коэффициента усиления Ku, достигающая 106 раз. Наличие дифференциального входа позволяет применять дифференциальное, инвертирующее и не инвертирующее включения.

На рис. 44 приведены схемы всех трех перечисленных вариантов включения. Здесь используется одно из двух общепринятых условных обозначений ОУ. В них инвертирующий вход помечен знаком «-» или обозначен кружком

(рис. 45).

Рис. 44

Рис. 45

На ОУ переносятся все свойства содержащихся в них ДУ – высокая устойчивость к изменениям температуры и питающих напряжений, возможность различных включений, нечувствительность к синфазным входным сигналам. Основное и уточнённое правило работы такие же, как у ДУ, (12) и (13).

Параметры узлов на ОУ легко изменяются при использовании обратной связи. Обобщённая схема усилителя с обратной связью представлена на рис. 46. Она содержит усилитель с коэффициентом усиления

Рис. 46

по напряжению Ku, часть выходного сигнала которого возвращается на вход через цепь обратной связи с коэффициентом передачи β. Если обратная связь положительная (ПОС), напряжение обратной связи Uoc во входном сумматоре складывается с входным напряжением Uвх. Если обратная связь отрицательная (ООС), эти напряжения вычитаются. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью Kuoc определяется формулой Блэка:

Здесь знак «+» соответствует ООС, знак «-» соответствует ПОС. На рис. 47 представлены инвертирующая (а) и не инвертирующая (б) схемы на ОУ с ООС. В обоих схемах R1 и R2 образуют делитель напряжения, через который сигнал с выхода передаётся на вход, т.е. осуществляется обратная связь. Очевидно, что в такой цепи β = R1/(R1 + R2).

Согласно (14), в не инвертирующем включении:

Так как у ОУ Ku «1 (до 106), легко выполняется условие β Ku» 1 и поэтому единицей в скобках можно пренебречь. Тогда

Следовательно, при достаточно большом усилении ОУ выполняются условия, при которых коэффициент усиления с ООС зависит только от отношения сопротивлений двух резисторов. При изготовлении резисторов по интегральной технологии, отношение их сопротивлений и Kuoоc будет точным и стабильным. Таким же будет и коэффициент усиления усилителя с ООС. В инвертирующем включении Kuoоc ≈ R2/R1, т.е. показатели точности и стабильности также будут очень высокими.

ООС имеет огромное значение не только в аналоговой электронике. ООС способна стабилизировать параметры самых разных систем – экономических, социальных, биологических и других. Так, некоторое подобие схемы на рис. 46 поддерживает неизменной температуру тела человека.

Применение ООС в электронных усилителях не только уточняет и стабилизирует усиление, но и уменьшает искажения сигнала, шумы, напряжение смещения Uсм. Всё это достигается ценой уменьшения коэффициента усиления. Последнее можно компенсировать увеличением числа усилительных каскадов (11).

Одно из полезных проявлений действия ООС заключается в возможности расширения полосы частот усилителя, в которой обеспечивается равномерное усиление. На рис. 48 изображена АЧХ ООУ с ООС при различной глубине обратной связи. Полоса пропускания, ограниченная предельной частотой fпр, расширяется во столько же раз, во сколько уменьшается коэффициент усиления.

Рис. 48

Возможность выполнения математических операций над аналоговыми величинами (напряжениями) видна уже из выражения (12), согласно которому при дифференциальном включении осуществляется вычитание Uвх1 из Uвх2. Возможно суммирование и вычитание любого числа напряжений, умножение напряжения на коэффициент Kuoc. В качестве примера на рис.49 приведена схема суммирования трех напряжений с одновременным умножением результата суммирования на коэффициент ≈ – 0,65.

Рис. 49

На рис. 50 приведена схема интегратора на ОУ. Если поменять местами R и С этой схемы, она превращается в

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 (фликкерэффект); тепловым шумом. Напряжение собственных шумов усилительного устройства измеряют при закороченных по переменному току входных зажимах, т. е. при Uвх = 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:

где Р0 и Р1 – 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 к 10^-12 Дж.

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

где Uоп – опорное напряжение. В общем случае, поскольку при четырех ключах возможны 16 состояний схемы,

Uвых ≈ Uоп (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 не чисто аналоговым, а ступенчатым. Более точное приближение к аналоговому сигналу достигается увеличением разрядности ЦАП, т.е. 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, т.е. х = 1. 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 Uоп 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 и в 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:

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, т.е. 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 Nд или акцепторной примеси Nа. 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.15:

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, т.е. 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 T=0.025В, типичные значения концентрации примесей асимметричного p-n перехода для базы 1016, для эмиттера 1018 см-3 и собственную концентрацию кремния при комнатной температуреni≈1010 см-3, получим типичную величину:

Другим важнейшим параметром p-n перехода является его толщина, или ширина, w. За w принимается протяженность приграничных областей с не скомпенсированными ионами примесей, или, что тоже самое, толщина обеднённого слоя:

Для кремниевого p-n перехода при указанных выше исходных данных w≈1мкм, 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 (26б) 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 = к0 + Uобр, 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 таким и 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