Вопросы для экзамена по электронике

1.Электропроводность полупроводников. Основные положения теории элек­тропроводности. Примесная электропроводность.

2. Электронно-дырочный переход и его основные свойства.

3.Полупроводниковые диоды, их технические характеристики и применение:

• Выпрямительные диоды;

• Полупроводниковые стабилитроны;

• Варикапы;

• Туннельные диоды.

4. Биполярные транзисторы. Принцип работы и физические процессы в транзи­сторах.

5.Схема включения и основные характеристики транзисторов (биполярных).

6. Полевые транзисторы, их характеристики и классификация.

7. Полевой транзистор с управляемым р-п переходом и его основные характе­ристики.

8. Полевой транзистор со структурой металл - диэлектрик - проводник (МДП - транзистор), его основные характеристики.

9. Электронные усилители. Основные параметры ЭУ и принцип работы. 10.Резисторный усилитель переменного напряжения. Назначение элементов и

принцип работы.

11. Обратная связь в электронных усилителях.

12. Электронные усилители в интегральном исполнении.

13.Операционные усилители (ОУ). Условное обозначение и основные характе­ристики ОУ.

14.Инвертирующий и не инвертирующий усилители на основе ОУ. 15.Суммирующее устройство на основе ОУ.

16.Интегрирующее и дифференцирующее устройства на основе ОУ.

17.Импульсный режим работы операционных усилителей. Компараторы. 18.Основные логические понятия, типовые логические функции и элементы.

19. Основные параметры логических элементов. Классификация логических элементов.

20. Логические элементы интегрального исполнения и их особенности.

21. Электронные генераторы сигналов, их классификация. Условие баланса фаз и баланса амплитуд.

22. Генератор синусоидальных колебаний с LC - контуром.

23. Генератор синусоидальных колебаний с RС - контуром. 24.Генератор прямоугольных колебаний (мультивибратор). 25.Понятие о комбинационных и последовательных устройствах. 26.Тригеры. Общая структура и классификация триггеров. 27.Тригеры RS - типа. 28.Тригеры D – типа. 29.Тригеры JK – типа. 30.Т- триггер (Счётный триггер).

31. Счётчики. Назначение, классификация, применение, принцип работы.

32.Последовательный (асинхронный) двоичный счётчик, схема и принцип рабо­ты.

33. Счётчик с параллельным переносом и выдачей информации, схема и принцип работы.

34. Регистры с параллельным переносом информации, схема и принцип работы. 35.Регистры с последовательным приёмом информации, схема и принцип работы.

36. Дешифраторы. Общая структура и принцип работы дешифратора.

37.Дешифраторы двоично-десятичных кодов в семи-сегментный код.

38.Шифраторы. Общая структура и принцип работы шифратора.

39.Мультиплексоры. Общая структура и принцип работы мультиплексоров.

40.Демультиплексоры. Общая структура и принцип работы демультиплексоров.

41. Сумматоры. Принцип сложения двух п-разрядных чисел. Полусумматор и полный одноразрядный сумматор.

42. Многоразрядные сумматоры. Схема параллельного многоразрядного сумма­тора с последовательным переносом и принцип его работы.

43. Применение в многоразрядных сумматорах схемы ускоренного переноса (СУП).

44.Преобразование кодов. Назначение и принцип работы преобразователей ко­дов.

45. Арифметико-логическое устройство. Назначение и принцип работы АЛУ.

46.Функциональные устройства микропроцессоров. Классификация и основные параметры микросхем памяти.

47.Микросхемы оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), их основные устройства.

48. Микросхемы оперативных запоминающих устройств (ОЗУ). Динамические ОЗУ, их основные свойства.

49. Микросхемы постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), их классифика­ция и основные свойства.

50. Аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.

Электропроводность полупроводников.

Электропроводность – характеризует свойства материалов проводить электрический ток. Количественно она оценивается:

1. Удельной проводимостью вещества,

2. Концентрацией свободных носителей заряда (n).

В зависимости от способности материалов проводить электрический ток они делятся на три вида:

• диэлектрики.(n≈10^-²) эл/см³

• полупроводники.10¹²<n<10¹⁶ эл/см³

• проводники(n≈10¹⁹эл/см³).

Диэлектрики - вещества, которые практически не проводят электрический ток. Проводники – вещества, хорошо проводящие электрический ток. Полупроводники – вещества, нечто среднее между проводниками и изоляторами. Структура полупроводника напоминает кристаллическую решётку алмаза. Полупроводник имеет жёсткую структуру за счёт ковалентных связей между атомами. Важнейшим свойством полупроводников является сильная зависимость их проводимости от температуры окружающей среды, светового потока (Φ), примесей, ионизирующего облучения. Для создания полупроводниковых приборов используют следующие полупроводники:

1) 4-валентная группа (Ge(гелий), Si(кремний), AsGa(арсенид галия)),

2) 3-валентная группа (Al(алюминий),B(бор),In(индий)),

3) 5-валентная группа (P(фосфор), As(мышьяк), Sb(сурьма))

Все полупроводники можно разделить на две группы:

1) Чистые, (собственные, беспримесные) или полупроводники i–типа. (Вещества, состоящие из атома одного сорта)

2) Примесные полупроводники. (Часть атомов одного сорта заменена на атомы другого сорта)

Собственные полупроводники:

Атомы полупроводников располагаются в пространстве в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, которая возникает за счет обобществления атомами электронов соседнего атома (ковалентная связь).

Рассмотрим плоскую модель 4-валентного полупроводника. В чистом полупроводнике, при температуре абсолютного нуля (Т=0 (по Кельвину)), все электроны уходят на образование ковалентной связи, свободных электронов нет, следовательно, полупроводник - диэлектрик. При повышении температуры электроны приобретают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают свои ковалентные связи, становясь свободными. В результате образуются два носителя свободного заряда: электрон (отрицательный заряд) и то место, которое он покинул – дырка (вакансия). Дырка имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. (Рис 1). Итак, при повышении температуры, в полупроводнике появляются свободные носители зарядов, причем концентрация электронов в чистом полупроводнике равна концентрации дырок: n_i=p_i. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией электронно-дырочной пары. При движении электронов по объёму кристаллической решётки некоторые из них могут занимать место дырки. При этом электрон и дырка уничтожаются – это рекомбинация электронно-дырочной пары.

В полупроводниках i-типа n_i=p_i.

,

где А – постоянный размерный коэффициент, К – постоянная Больцмана, Т – температура по Кельвину, ∆E_д0 – ширина запрещенной зоны – такая энергия, которую должен приобрести электрон, чтобы стать свободным.

∆E_д0 равна:

1. 0,8 эВ для Ge

2. 1,1 эВ для Si

3. 1,4 эВ для AsGa.

Примесные полупроводники:

Чистые полупроводники почти не используются, так как их проводимость сильно зависит от температуры. Их удобно использовать при создании термодатчиков. Для создания полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием, а примесные полупроводники – легированными. В зависимости от характера введенной примеси различают два типа примесных полупроводников: n-типа и p-типа.

Полупроводник n-типа.

Полупроводник n-типа получают путём введения в 4-валентный полупроводник атомов 5-валентной примеси. Каждый атом такой примеси создает один свободный электрон. Такая примесь – донорная. В результате введения такой примеси полупроводник имеет вид:

Электроны – основные носители, а дырки – неосновные. Примесный полупроводник – полупроводник с электронной проводимостью.

В полупроводнике n-типа два основных носителя заряда.

Полупроводник p-типа.

Полупроводник p-типа получают путём введения в собственный, 4-валентный полупроводник 3-валентной примеси. Каждый атом такой примеси отбирает электрон от соседнего собственного атома, создавая дырки. Такая примесь – акцепторная. Плоская модель кристаллической решетки:

Два основных носителя заряда:

Для создания полупроводниковых приборов используются в основном примесные полупроводники, так как их проводимость определяется концентрацией примеси, а не температурой, освещенностью и так далее.

Токи в полупроводниках. Дрейф и диффузия.

В полупроводнике возможны два механизма движения электрических зарядов:

1) Дрейф - движение носителей заряда под действием электрического поля.

Ток, возникающий под действием электрического поля – дрейфовый. Рассмотрим плотность такого тока:

I_др = I_{n др} + I_{p др} = е·n·μ_n·E + e·p·μ_p·E = (e·n·μ_n + e·p·μ_p)E, где

δ=(e·n·μ_n + e·p·μ_p) – удельная полу проводимость полупроводника,

e: +e – заряд дырки, -e – заряд электрона, n,p – концентрация электронов и дырок соответственно.

2) Диффузия – движение свободных носителей заряда под действием их градиента концентрации, то есть под действием сил, возникающих из-за их неравномерного распределения по объему проводника.

Знак “-“ говорит о том, что движение направлено в сторону с меньшей концентрацией. D – коэффициент диффузии, аналог подвижности. dn/dx – градиент концентрации равный grad n.

Процесс диффузии характеризуется двумя основными параметрами:

1) τ_n - время жизни избыточных, неравновесных носителей заряда. Если в какой-либо области проводника создать избыточную концентрацию, а затем устранить причину её создавшую, то под действием сил диффузии, избыточная концентрация начнёт убывать, до выравнивания по всему объёму. Время, за которое n₀ убывает в e раз (время за которое произойдет выравнивание), называется временем жизни неравновесных зарядов.

2) Диффузионная длина L_n – расстояние, на которое проникают избыточные заряды за счет диффузии.

Электрические переходы.

Переходный слой между двумя областями полупроводника, обладающими различными электрическими свойствами называется электрическим переходом.

Различают следующие переходы:

1) p-n-переход – переходной слой между областями с разным видом проводимости.

2) Электронно-электронный

Дырочно-дырочный

Переходный слой между областями с различной концентрацией примеси (+ - с высокой концентрацией).

3) Металло-полупроводниковый. В зависимости от соотношения между работами выхода металла и полупроводника на границе «металл-полупроводник» (A_Me > < A_п/п) возникает два вида переходов:

а) Омический контакт – переходной слой, обладающий малым сопротивлением, независимо от полярности напряжения на нем. Используется для проведения электрических сигналов к полупроводникам.

б) Выпрямительный контакт – такой электрический переход обладает односторонней проводимостью и применяется в диодах Шотки.

P-n-переход (Электронно-дырочный).

P-n переход невозможно создать механическим контактом двух полупроводников разного типа, так как:

1. Поверхность полупроводников покрыта слоями окисла, являющегося диэлектриком.

2. Между полупроводниками всегда сохраняется воздушный зазор, больший, чем межатомное расстояние.

Основные способы получения p-n-перехода:

1. Сплавной метод (в пластину полупроводника вплавляется металл или сплав, содержащий необходимую примесь).

2. Диффузионный метод.

Образование p-n-перехода в равновесном состоянии.

На границе p и n областей имеет место градиент концентрации свободных носителей зарядов. За счет диффузии электроны из n области переходят в p и рекомбинируют (взаимоуничтожаются) там с дырками. Дырки переходят из n в p, рекомбинируя с электронами. В результате вблизи границы в p-области возникает отрицательный заряд, образованный ионами акцепторной примеси, а в n – положительный заряд, образованный ионами донорной примеси. Между зарядами возникают разность потенциалов «φ_к» и электрическое поле с напряженностью Е_к. Это поле препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины p и n областей через p-n-переход.

Область, объединенная свободными носителями заряда на границе p-n областей – p-n-переход.

P-n-переход считается равновесным, если отсутствует внешнее напряжение, приложенное к нему. В равновесном состоянии через p-n-переход движутся два встречных потока зарядов (два тока):

1. Дрейфовый ток неосновных носителей заряда

2. Диффузионный ток, связанный с основными носителями заряда.

Так как внешнее напряжение отсутствует, то эти токи взаимоуравниваются, и результирующий ток через p-n-переход равен «0».

I_pn = I_диф + I_др = 0.

Это соотношение называют условием динамического равновесия токов в p-n-переходе.

Основные параметры p-n-перехода.

1. Контактная разность потенциалов:

, где

- концентрация электронов собственного полупроводника (зависит от температуры),

N_aN_d – концентрация акцепторной (и донорной) примеси соответственно,

– температурный потенциал (равен 25мВ при Т=300 градусов по Кельвину),

– энергия, которую должны приобрести свободные носители заряда, чтобы преодолеть электрическое поле (потенциальный барьер) p-n-перехода.

2. Ширина p-n-перехода: l_pn = l_p + l_n

p-n-переход состоит из двух областей:

-Если N_a=N_d, то l_p=l_n и переход называется симметричным.

-Если N_a> <N_d, то l_p> <l_n (противоположное соотношение), такой переход несимметричен, причем сам переход располагается в области с меньшей концентрацией примеси (слабоконцентрированной).

P-n-переход при внешнем напряжении приложенном к нему.

Внешнее напряжение, приложенное к p-n-переходу, нарушает динамическое равновесие токов, отсюда p-n-переход переходит в неравновесное состояние.

1)P-n-переход считается смещенным в обратном направлении, если к p-области приложен «-», а к n-области – «+» внешнего источника напряжения.

Напряжение направлено согласно с φ_к, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе равно их сумме: U_pn = U + φ_k. Это увеличивает E электрического поля, ширина p-n-перехода возрастает, процесс диффузии полностью прекращается через p-n-переход протекает обратный ток:

I_pn = I_обр = I₀ – это тепловой ток неосновных носителей заряда I₀. I_диф обращается в ноль. Величина теплового тока зависит от:

а) Температуры окружающей среды:

Поскольку обратный ток связан с не основными носителями заряда, а их концентрация мала, то величина I₀ принимает малые значения. Т⁰- текущая температура p-n-перехода, -исходное значение температуры окружающей среды, - температура удвоения теплового тока.(5⁰-6⁰С для Si, 9⁰-10⁰С для Ge, отсюда I₀ p-n-перехода из Si сильнее зависит от температуры, чем из Ge).

б) I₀ зависит от материала p-n-перехода.

( )<< ( ) (в 1000 и более раз).

2)p-n-переход смещен в прямом направлении, если к p приложен «+», а к n – «-».

Такое напряжение направлено встречно φ_к, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе уменьшается до величины: U_pn= φ_к-U, это уменьшает E электрического поля, p-n-переход сужается. Возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Через p-n-переход протекает прямой ток: I_pn=I_прямой=I_диф (ток диффузии основных носителей заряда).

При возрастании напряжения диффузионный ток резко возрастает и может достигать больших значений, поскольку он связан с основными носителями заряда, концентрация которых велика.

ВАХ p-n-перехода.

Зависимость тока через p-n-переход от напряжения на нем:I=f(U) равна:

Главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. ВАХ p-n-перехода обладает выпрямительными свойствами.

I_пр>>I_обр, что тождественно R_пр<<R_обр

Емкости p-n-перехода.

Способность p-n-перехода накапливать электрический заряд, свидетельствует о том, что он обладает ёмкостью. Различают две емкости p-n-перехода: диффузионную и барьерную.

1.C_бар – барьерная емкость образуется неподвижными ионами примесей. Характеризуется перераспределением заряда в запертом p-n-переходе. Величина этой ёмкости зависит от U_обр на p-n-переходе. Она является преобладающей при обратном смещении:

,где , емкость при

U =0, ν=1/2-1/3, зависит от способа изготовления p-n-перехода:

, где S_p-n – площадь p-n.

2.Диффузионная ёмкость: преобладает при прямом смещении p-n-перехода и характеризуется перераспределением зарядов вблизи p-n-перехода при протекании прямого тока.

, где τ_n- время жизни неосновных носителей заряда.

С_диф>>C_бар, но на практике почти не используются, так как имеет малую добротность, поскольку параллельно ей включено сопротивление p-n-перехода смещённого в прямом направлении, величина которого мала.

Пробой p-n-перехода.

Согласно ВАХ, I_обр=I₀ остается постоянным, не зависящим от обратного напряжения, однако при достаточно большом U_обр наблюдается резкое возрастание I_обр – это называется пробоем p-n-перехода, а напряжение, при котором это происходит, напряжением пробоя.

Пробои делятся на:

1) Тепловой.

2) Электрический, который в свою очередь делится на туннельный и лавинный (без перегрева).

1) Электрический пробой обратимый, т.е. после уменьшения величины обратного напряжения p-n-переход принимает свои первоначальные выпрямительные свойства.

Лавинный пробой происходит из-за лавинного размножения неосновных носителей слабо легированных “широких” p-n-переходов. При достаточно большой напряжённости электрического поля электроны достигают скоростей, при которых выбивают из атома полупроводника валентные электроны, которые в свою очередь выбивают новые. Этот процесс происходит лавинообразно.

Туннельный пробой происходит в сильно легированных “узких” p-n-переходах, и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов, в результате которого в объёме p-n-перехода образуется электронная дырка.

2) Тепловой пробой, необратимый, он сопровождается разогревом p-n-перехода обратным током. При повышении температуры p-n-перехода число неосновных носителей заряда возрастает. Это приводит к увеличению J_обр, что приводит к ещё большему разогреву p-n-перехода. Разрушается (расплавляется) кристаллическая решетка, электрические свойства не восстанавливаются.