Первый билет

1.Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды.

Вещества по электрическим свойства делятся на три большие группы:

1.​ Проводники содержат большое количество носителей заряда, способных перемещаться под действием электрического поля. Они называются подвижными, их направленное движение – электрический ток. Способность вещества пропускать ток - электропроводность. Электропроводность определяется, главным образом, концентрацией подвижных носителей – их количеством в единице объёма. Типичными проводниками являются металлы. Для них характерна высокая концентрация подвижных зарядов – свободных электронов.

2.​ Диэлектрики практически не содержат подвижные заряды, их электропроводность ничтожна. Такими свойствами обладают например стекло или воздух.

3.​ Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности между проводниками и диэлектриками. Типичным и самым распространённым в электронике полупроводником является кремний (Si) или германий (Ge). Широкое применение находят также некоторые соединения, например, арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN).

Собственные полупроводники содержат атомы только одного вещества. В примесных есть примеси N (донорные) и P (акцепторные) вида.

Свободными становятся, прежде всего, валентные электроны, наиболее удалённые от ядра и наименее с ним связанные. Вместо электрона возникает дырка.

Образование свободного электрона – генерация, исчезновение пары носителей заряда – рекомендация.

Дырка, как и свободный электрон, считается подвижным носителем заряда. При перемещении дырка заполняется не свободным, а соседним валентным электроном. Валентный электрон при этом остаётся валентным, его энергия не изменяется. Дырка исчезает на прежнем месте и возникает на новом месте, т.е. перемещается. Хотя при этом фактически перемещаются валентные электроны, воспринимается это, как перемещение единичного положительного заряда. Таким образом, перемещение зарядов в полупроводнике, т.е. возникновение тока, вызывается независимым друг от друга движением свободных электронов и дырок. Поэтому ток в полупроводниках может иметь как электронную, так и дырочную составляющие.

Наряду с подвижными зарядами важную роль имеют неподвижные заряды – ионизированные атомы веществ, чаще всего примесей. Ионами называют атомы, утратившие часть своих электронов (положительные ионы) или захватившие посторонние электроны (отрицательные ионы). Ионы в твёрдых веществах не способны перемещаться и создавать ток. Однако, как и любые другие электрические заряды, они способны создавать электрическое поле, влияющее на подвижные заряды.

16.Свойства МДП структуры. Пороговое напряжение.

Это контакт, образованный тремя слоями: металлом, диэлектриком, полупроводником.

Основные режимы работы:

1.​ При подаче на затвор отрицательного напряжения дополнительные дырки из объема полупроводника втягиваются в подзатворную область. Концентрация дырок здесь возрастает (режим обогащения, рисунок б)

2.​

3.​ При подаче положительного напряжения, напротив, дырки вытесняются из подзатворной области (режим обеднения, рисунок в).

4.​ При увеличении положительного напряжения на затворе до порогового U0 концентрация дырок и электронов сравниваются (пороговое состояние, не режим).

5.​ При напряжении на затворе U3 > U0 в подзатворной области концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок (режим инверсии).

Такие структуры чаще всего изготавливают на основе кремния (Si). В качестве диэлектрика обычно используется собственный окисел кремния - SiO2. Поэтому часто эта структура называется и как МОП - структура (металл-оксид-полупроводник).

МДП - структура напоминает конденсатор, у которого один из слоёв не металл, а полупроводник. Удельная ёмкость МДП-структуры C0.

Эффект поля - основное свойство МДП–структуры. Он позволяет управлять проводимостью подзатворного полупроводника за счет электрического поля, создаваемого затвором.

Пороговое напряжение – напряжение, при котором происходит инверсия проводимости, когда концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок.

31.Классификация интегральных схем (по типу сигналов на входе и выходе, по технологии изготовления, по типу используемых элементов, по назначению)

Классификация ИС по разнообразным признакам:

1.​ По типу действующих в них сигналов – цифровые и аналоговые ИС; 2.​ По технологии изготовления – полупроводниковые и гибридные.

В п/п ИС все элементы изготовлены в кристалле полупроводника, в гибридной ИС частично используются дискретные (навесные) элементы, изготовленные отдельно;

3.​ По функциональному назначению – процессоры, ИС памяти, логические элементы, усилители и преобразователи сигналов и т.д.;

4.​ По способности сохранять информацию в отсутствие энергии питания – энергозависимые и энергонезависимые;

5.​ По способности к изменению хранящейся в ИС информации – перепрограммируемые и неперепрограммируемые;

6.​ По типу используемых элементов – МДП, КМДП, БТ и т.д.;

7.​ По способу изоляции элементов ИС друг от друга – с изоляцией p-n переходами, диэлектрической изоляцией.

8.​ ИС классифицируются также по типу физических процессов. В основном, используются явления и процессы, наблюдающиеся в электронных элементах и цепях. Однако существуют ИС, использующие явление поверхностной акустической волны, эффект Холла, пьезоэффект, другие физические процессы. Особый подкласс образуют оптоэлектронные ИС, в которых используется фотоэффект и излучательная рекомбинация (оптоэлектроника).

46.Логические элементы на комплементарных МДП транзисторах.

На двух и более КМДП-ключах легко создать функционально полную систему логических элементов, состоящую из элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ.

В качестве примера рассмотрим двухвходовый элемент И-НЕ на двух КМДП-ключах.

Здесь Т1 и Т2 образуют первый КМДП-ключ, а Т3 и Т4 – второй такой ключ. Нижние, n- канальные транзисторы Т1 и Т3 этих ключей соединены последовательно. Оба они открыты только когда на оба их затвора (входа) напряжения, превышающие пороговые (единицы). При этом выход элемента будет подключён к общему проводу. Единица на выходе появится только когда один или оба n-канальных транзистора будут закрыты. В этом случае выход элемента будет подключён через один или оба открытых р-канальных транзистора к узлу с потенциалом +Епит.

Схема двухвходового элемента ИЛИ-НЕ:

Здесь основные n-канальные транзисторы КМДП-ключей соединены параллельно.

Выход будет подключен к общему проводу, если открыт хотя бы один из этих транзисторов (функция ИЛИ).