7. Принцип действия полупроводниковых приборов. Переход металл- диэлектрик – полупроводник.

Фазовый переход, сопровождающийся изменением величины и характера электропроводности при изменении темп-ры Т, давления р, магн. поля Н илисостава вещества.

Формируется на полупроводнике или диэлектрической подножке в виде области истока и стока, между которыми расположен канал для прохода тока, над каналом помещают затвор, изолированный от подножки диэлектриком . При отсутствии затвора ток стока равен нулю при любой полярности. Если между полупроводником и подножной приложить напряжение , то собственное электрическое поле изменит концентрацию носителей заряда в прилегающих и диэлектрических слоях и влияет на удельную электрическую проводимость слоя

8.Принцип действия полупроводниковых приборов. Переход Шоттки.

электрический переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником. Контакт металл-полупроводник приводит и перераспределяет носителей заряда в прилегающей области, т.е. образует переход который обладает различными характеристиками в зависимости от параметров металл - /п.

При контакте металл – полупроводник приводит к переходу электронов в полупроводник и его обогащению основными носителями. При этом потенциальный барьер отсутствует, а ВАХ – линейна.

(9)Аналоговая и цифровая электроника. Интегральная микроэлектроника. Интегральные микросхемы.

Современные электронные системы создаются с использованием интегральных микросхем высокой степени интеграции. Сложные устр-ва создаются с использованием типовых блоков, на основе кот. Строятся аналоговые и цифровые преобразователи.

Характеристики и параметры элементной базы существенно влияют на свойства устр-ва в целом. Наиболее распр-ными типовыми блоками явл-ся каскады на полевых и биполярных транзисторах, содержащих цепи электропитания, обеспечения режима работы, ввода и вывода сигналов.

Первоначально каскады были разработаны на конструктивно-завершенных деталях.В настоящее время создаются с учетом интегральных полупроводниковых технологий, которыми явл-ся преимущественное использование в схемах транзисторов одного типа; формирование пассивных элементов на основе транзисторных структур, исключение из схем индуктивных катушек и конденсаторов больших номиналов, жесткое ограничение суммарного сопротивления резисторов.

В основе технологии изготовления интегр.микросхем лежит интегрально-групповой метод, ориентированный на одновременное формирование большого числа элементов на общей полупроводниковой или диэлектрической пластине(подложке).

Кол-во активных элементов на кристалле определяет степень интеграции ИМС. По степени интеграции различают:

-МИС(малой степени интеграции) от 3 до 30 транзисторов

-СИС(средней ст.инт-ции)от 30 до 300

-БИС(большой ст. инт-ции)от 300 до 3000

-СБИС(сверхбольшой ст.инт-ции)более 3000

(10)Транзисторные каскады интегральных микросхем. Каскад на биполярном транзисторе. Проходная характеристика.

Функциональное назначение и основные свойства отражает статическая проходная характеристика, описывающая зависимость выходной от входной величины U_вых(U_вх).

Наиболее распространенный каскад на биполярном транзисторе Т по схеме с общим эмиттером (ОЭ) содержит нагрузочный резистор R_к, подключенный к источнику электропитания V и коллектору, с которого снимается выходной сигнал (рис.3.2,а).

Рис.3.2. Каскад ОЭ на БТ (а), модель транзистора (б) и характеристика каскада (в)

Оценочный расчет проходной достаточно просто выполнить на основе глобальной модели транзистора (рис.3.2,б) с использованием кусочно-линейной аппроксимации характеристик, описываемых соотношениями .

Уравнения каскада , позволяют рассчитать проходную характеристику по участкам при U_вх = U_бэ и U_вых = U_к. При входном напряжении ниже уровня отпирания U_вх < U* транзистор закрыт, токи I_б = 0, I_к = 0 и выходное напряжение U_вых = V.

Увеличение U_вх > U* приводит к отпиранию эмиттерного диода и переходу транзистора в нормальный активный режим работы. Ток базы на основе линеаризованной модели транзистора можно записать в виде , причем , где r_б, r_э – сопротивления базы и эмиттера, β=h₂₁ – коэффициент передачи тока. Типичные значения приведенных величин лежат в пределах: β =100…500, r_Э = 0,5…1 Ом, r_б= 30…70 Ом. Для выходного напряжения с помощью зависимости I_к = I_б несложно получить выражение , описывающее прямую линию с наклоном

.

Дальнейшее увеличение U_вх приводит к смещению коллекторного перехода в прямом направлении. Транзистор входит в режим насыщения, при котором оба перехода смещены в прямом направлении. Можно считать, что выходное напряжение не зависит от входного сигнала и имеет типичное значение U_вых = U_кэн = (0,2...0,3) В. В режиме насыщения значение коллекторного тока определяется выражением I_к = (V – U_кэн) / R_к и не зависит от тока базы. Переход с одного участка на другой происходит при входном напряжении, вычисленном из соотношения

.

На полученной проходной характеристике (рис.3.2,в) можно выделить два уровня выходного сигнала (низкий U⁰ и высокий U¹), наличие которых обусловило использование каскада в качестве двоичного логического элемента.

(11)Транзисторные каскады интегральных микросхем. Каскад на полевом транзисторе. Проходная характеристика.

Применение каскада для передачи сигналов без искажений требует подачи на вход постоянного напряжение смещения, обеспечивающего работу на линейном участке проходной характеристики.

Подобный схема каскад может быть реализован на МОП(металл-оксид-проводник) транзисторе по схеме с общим истоком (ОИ). Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора R_с, подключенного к источнику напряжения питания V и стоку транзистора U_вых = U_с (рис.3.3,а).

Рис 3.3. Каскад на МОП транзисторах с линейной нагрузкой (а), его характеристика (б) и каскад с нелинейной нагрузкой (в), его характеристика (г)

Проходную характеристику можно получить по участкам на основе кусочной модели МОП транзистора:

• при ;

• при

• при .

Типичные значения параметров транзистора с индуцированным каналом: k₀ = (0,1…1) мА/В², k₁ = (0,01…0,03) мА/В², U₀ = (2...4) В,

При нулевом токе затвора U_вх = U_з и уравнение каскада имеет вид

Если уровень входного сигнала ниже напряжения отсечки U_вх< U₀, то ток I_с = 0 и выходное напряжение неизменно U_вых = U_з =V_с. Увеличение входного напряжения U_вх > U₀ приводит к появлению тока стока и изменению выходного напряжения в соответствии с выражением

.

При рабочая точка переходит на следующий участок характеристики и описывается выражением

Полученная характеристика подобна характеристике каскада ОЭ на БТ(биполярный транзистор) и выходное напряжение принимает два значения, которые можно интерпретировать как нулевой U ⁰ и единичный U ¹ уровни (рис.3.3,б). Значение U ⁰ , вычисленное из последнего выражения при U_вх = U ¹ будет снижаться при увеличении нагрузки R_c (приемлемым считают сопротивление R_c ≈ 20 R_к , где R_к – сопротивление канала, лежащее в пределах 1…5 кОм). Такой резистор занимает площадь примерно в 30 раз превышающую площадь транзистора, и поэтому в качестве нагрузки используют транзистор Т_н с индуцированным (или встроенным) каналом (рис.3.3,в).

При работе нагрузочного транзистора на пологом участке выходной характеристики он представляет собой нелинейную нагрузку. Характер зависимости U_вых(U_вх) (рис.3.3,г) не изменится по сравнению с линейной нагрузкой, но параметры каскада будут отличаться. На спадающем участке характеристика получается линейной с наклоном , где k_0н – параметр нагрузочного транзистора. Нулевой уровень напряжения также зависит от отношения k₀ / k_0н .

(12)Комплиментарная структура. Проходная характеристика.

В цифровых элементах широко распространена схема на взаимодополняющих транзисторах T_n и T_p (рис.3.4,а) c каналами n- и p- типа (комплеметарная МОП структура), которая обеспечивает полную симметрию схемы относительно входного и выходного сигналов. Проходная характеристика также может быть построена по участкам с использованием кусочных моделей транзисторов.

Рис.3.4. КМОП структура (а) и проходная характеристика (б)

При малом входном сигнале (U_вх < U_оn) закрыт транзистор T_n и его ток стока I_сn = 0, что обеспечивает высокий уровень выходного сигнала U_вых =V. Соответственно, при больших значениях входного напряжения (U_вх > V – U_оp) закрыт транзистор T_p и его ток стока I_сp= 0, что приводит к низкому уровню выходного напряжения U_вых = 0. На переходных участках один транзистор работает на крутом участке характеристик, а другой на пологом. При напряжении U_вх ≈ V / 2 оба транзистора работают на пологих участках и на проходной характеристике наблюдается весьма резкое изменение (скачок) выходного напряжения. Для уточнения характера зависимости необходимо учесть конечный наклон выходных характеристик транзисторов.

Полученная проходная характеристика (рис.3.4,б) имеет симметричный вид. Отсутствие потребления каскадом тока в установившихся (статических) режимах нулевого U ⁰ = 0 и единичного U ¹ = V логических уровней относят к основным достоинствам схемы.

(13)Пассивные элементы интегральной микроэлектроники.

Д и о д ы в ИМС получают на основе транзисторов путем использования одного из p - n переходов. Наиболее распространенный пассивный компонент – резистор при биполярной технологии реализуют на основе базовой области транзистора. Слаболегированный базовый слой, обладающий поверхностным сопротивлением ρ_s = 200…300 Ом/□, позволяет получить не слишком большие сопротивления до единиц килоом. В МДП технологии в качестве резисторов с небольшими значениями сопротивлений используют канал (при постоянном напряжении затвора). Большие значения сопротивлений получают формированием специальных областей из поликремния.

В качестве конденсаторов небольшой емкости используют МДП-структуру с встроенным каналом. Типичное значение удельной емкости на единицу площади между выводами затвора и канала составляет примерно С₀ = 300 пФ/ мм². В биполярной технологии обычно используют емкость обратно смещенного p - n перехода, имеющую нелинейную характеристику и обладающую невысоким пробивным напряжением.

(14)Цифровые системы обработки сигналов. Способы представления чисел в цифровых устройствах. Теоретическая основа описания цифровых преобразователей.

Цифровые или логические сигналы -это электр. сигналы (напряжение на входе и выходе электронных устр-в имеют 2 уровня: высокий(логическая 1) и низкий(логический 0))

Цифр. обработка этих сигналов включает след. виды операций

-арифметические(+,*,/ в двоичной системе исчисления)

-логические(запоминание, преобразование)

Функциональные преобразования, реализуемые устр-вами цифр. техники задаются в виде таблиц истинности, в кот. n аргументов ф-ции задаются ее 2ⁿ значений и лог.ф-ций, описываемых с помощью алгебры логики(булевой алгебры), кот оперируют с переменными, имеющими только 2 значения.

Осн.лог.операции алгебры логики- это 1)конъюнкция (и);2)дизъюнкция(или);3)отрицание

Булевы ф-ции двоичной алгебры реализуются с помощью комбинационных устр-в- цифр.устр-в, у кот.состояние на выходе в кажд.такте опред-ся состоянием на входе в этом же такте., конюнкцию и дизюнкцию смотри ниже!!!

х	У
0	1
1	0

Отрицание : y=не х. Булевы функции ркализуются с помощью комбинационные устройства – цифровых устройств у кот. На выходе в каждом такте определ. Состояние на входе. При их синтезе используют таблицы истинности.

(15)Логические элементы цифровых устройств. Реализуемая функция, таблица истинности, схемное обозначение.

x1	x2	y
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

1 .И (AND)

ГОСТ:

x1	x2	y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

2 .ИЛИ (OR)

Г ОСТ:

x	y
0	1
1	0

3.НЕ(NOT)

x1	x2	y
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

4 .И-НЕ (NAND)

x1	x2	y
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

5 .ИЛИ-НЕ (NOR)

x1	x2	y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

6 .Исключающее ИЛИ (XOR)

x1	x2	y
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

7 .Исключающее ИЛИ-НЕ