Десятый билет

10. Контакт металл-полупроводник. Диоды Шотки

1.​ Омический контакт

Его сопротивление невелико, не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Ток в омическом контакте связан с напряжением законом Ома. Такие контакты необходимы для электрического соединения элементов или их частей друг с другом.

ВАХ омического контакта линейна.

Если, например, qϕм < qϕпп, будет преобладать поток свободных электронов из металла в полупроводник. При этом в m-n переходе в приграничной области полупроводника образуется избыток свободных электронов, т.е. обогащенный слой. В таком виде в контакте свободные электроны имеются во всех его частях, и поэтому он обладает очень маленьким электрическим сопротивлением, т.е. является омическим контактом.

2.​ Контакт Шотки

При прямом напряжении Uпр они хорошо пропускают ток (открытое состояние), при обратном напряжении Uобр тока почти нет (закрытое состояние). Такие контакты используются в диодах Шотки и некоторых типах транзисторов.

Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода контактирующего металла qϕм и полупроводника qϕп.

Если qϕм > qϕпп, в m-n переходе преобладает поток электронов из полупроводника в металл. В n-области образуется обеднённый слой. Уменьшение концентрации свободных электронов в обеднённом слое приводит к появлению здесь положительного заряда нескомпенсированных ионов донорной примеси. Заряды в приграничных областях создают собственное электрическое поле с контактной разностью потенциалов. Чтобы получить открытое состояние контакта, необходимо подать на него прямое напряжение. Свободные электроны n – области начнут заполнять обеднённый слой, контактная разность потенциалов уменьшится, потенциальный барьер понизится: высокая концентрация свободных электронов во всех частях контакта обусловит протекание большого дрейфового тока, прямого тока Iпр. При обратном токе - потенциальный барьер увеличится.

Достоинства диодов Шотки:

●​ Наименьшие по сравнению с другими диодами напряжения открытого состояния, в пределах ~0,2В. Это означает, что в диодах Шотки, по сравнению с другими диодами, при одинаковом прямом токе рассеиваемая мощность Pрасс = Uпр*Iпр 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 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.

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.

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. Отсюда односторонняя проводимость, как и в диодах на основе m-n и p-n переходов.

В электровакуумном триоде имеется ещё один электрод – 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 коэффициентом 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.

По анодным характеристикам хорошо видно, что влияние сеточного напряжения на анодный ток намного сильнее, чем влияние анодного напряжения.

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

40. Корреляция параметров элементов интегральных схем.

Важнейшим общим свойством элементов ИС всех типов является сильная корреляция параметров.

В ИС погрешности параметров обусловлены 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.

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.

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

→

Если обратная связь отрицательная (ООС), эти напряжения вычитаются.

Интегратор

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

Интегратор — схема, имеющая выходное напряжение, равное сумме его входных напряжений за последовательные промежутки времени.

В схеме интегратора входной сигнал Eвх подается на инвертирующий входной зажим; неинвертирующий входной зажим заземлен. Входной сигнал формируется через входной резистор Rвх. Интегратор аналогичен инвертирующему усилителю за исключением одной особенности: вместо резистора в цепи обратной связи у него имеется конденсатор. Этот конденсатор C называется конденсатором цепи обратной связи.

Выходной сигнал инвертирующего усилителя формируется через резистор цепи обратной связи. А в интеграторе выходное напряжение Eвых формируется через конденсатор цепи обратной связи. При подаче на схему входного сигнала конденсатор заряжается для формирования выхода. Именно конденсатор делает

схему интегрирующей.

Дифференциатор

Дифференциатор — тип операционного усилителя, действие которого прямо противоположно действию интегратора. Иными словами, при наличии изменяющегося входного напряжения в какой-то период времени в дифференциаторе образуется неизменное выходное напряжение.

Всхеме дифференциатора входное напряжение Eвх подается на инвертирующий зажим, неинвертирующий зажим заземлен.

Вдифференциаторе зависимость между током в конденсаторе и выходным напряжением дифференциатора прямая — то есть, выходное напряжение дифференциатора будет высоким при сильном токе, выходное напряжение низкое при слабом токе в конденсаторе.

Следовательно, выходное напряжение дифференциатора будет высоким, когда входное напряжение Eвх изменяется быстро, и оно будет низким, когда Eвх изменяется медленно. Разумеется, если Eвх постоянно, независимо от уровня, выходное напряжение дифференциатора будет равно 0 В.