Билеты экзамен

Рис.34

Здесь изображён БТ со структурой [2] хотя возможна, но менее распространена структура. В работе таких БТ принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие

названия: n+ – эмиттер (область, “испускающая” носители); р–база и n (нарис.34 – область справа) – коллектор (т.е. область, “собирающая” носители). Каждая область снабжена омическими контактами металл полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором –коллекторный переход (КП).

21.Схема с общей базой, схема с общим эмиттером. Соотношения токов, параметры и статические характеристики.

Схема с общей базой:

Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи, ток которого является алгебраической суммой контурных входного и выходного токов.

Соотношения токов:

Параметры:

В кремниевых транзисторах, наиболее распространённых сегодня, Iкб0 пренебрежимо мал. Поэтому α=Iк/Iэ. Коэффициент передачи эмиттерного тока транзистора в схеме включения с общей базой α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением

Где Rн – сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи; rэ -сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое. Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), Rн может на несколько порядков превышать rэ. Поэтому, Кp может достигать многих тысяч раз. На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции. Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции

Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса К, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:

Статические характеристики: Общая база:

Входные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iэ(Uэб) при различных Uкб, т.е. ВАХ эмиттерного перехода.

Эти характеристики представляют интерес только при прямых входных напряжениях. Они близки к обычной для ВАХ p-n перехода экспоненте. Положение входной характеристики несколько зависит от выходного напряжения Uкб. При увеличении этого напряжения увеличивается толщина обедненного слоя КП. Следовательно, уменьшается эффективная толщина базы w и возрастает градиент инжектированных в неё свободных электронов dn/dw. Поэтому с ростом Uкб возрастает и диффузионный входной ток (эффект Эрли).

Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iк(Uкб) при различных токах эмиттера, т.е. ВАХ коллекторного перехода.

По форме они такие же, как обратная ветвь ВАХ p-n перехода, но смещены от нуля на значение тока, созданного за счет инжектированных из эмиттера в базу электронов. В отличие от ВАХ p-n перехода, их принято помещать в первом квадранте, т.е. в перевёрнутом виде. Выходные характеристики обычно изображают в виде семейства характеристик. Это позволяет графически отразить не только зависимость Iк(Uкб), но и зависимость Iк(Iэ). По отношению к ВАХ p-n перехода выходные характеристики частично смещены в область прямых напряжений. Следовательно, Iк остаётся большим в отсутствие напряжения на КП и даже при небольших прямых напряжениях. Это объясняется тем, что экстракция неосновных

носителей из базы осуществляется собственным полем КП. И только при небольших прямых напряжениях, близких к к0, ток в нём исчезает из-за встречного диффузионного тока КП.

Общий эмиттер:

Входные характеристики.

Входное напряжение в схеме с общим эмиттером UбЭ –это напряжение на ЭП. Входной ток–это почти неизменная часть тока ЭП: Iб ≈ Iэ/β.Поэтому входные характеристики Рис.39 в схеме с общим эмиттером отличаются только обратным проявлением эффекта Эрли, т.е. влиянием выходного напряжения Uкэ на входной ток Iб. Когда с ростом Uкэ КП расширяется, а база сужается, Iб уменьшается из-за уменьшения рекомбинации. Входные характеристики смещаются вправо, а не влево, как в схеме с общей базой.

Выходные характеристики схемы общим эмиттером.

Выходной ток Iк, как и в схеме с общей базой – это ток КП. Выходное напряжение Uкэ — это напряжение на КП плюс напряжение на ЭП: Uкэ=Uкб+Uбэ. Поэтому выходные характеристики на величину Uбэ смещены вправо и целиком находятся в первом квадранте. Из-за того, что выходное напряжение частично приложено и к ЭП, выходные характеристики имеют также более значительный наклон.

36. Устройство и изготовление интегрального биполярного транзистора.

В некоторых отношениях биполярные транзисторы превосходят МДП-транзисторы. Кроме того, сначала в ИС использовались именно БТ. Поэтому, а также в силу инерции производства и рынка, ИС на основе БТ иногда ещё применяются (ИС на интегральных БТ).

На рис. 10 изображён фрагмент подложки ИС с интегральным БТ наиболее распространённой структуры n- p-n. Очевидно, что изготовление такого транзистора потребует намного большего числа технологических операций (сравните с рис. 9).

Рис. 10

Самый глубокий слой в таком БТ – это так называемый скрытый n+-слой, т.е. слой с высокой концентрацией примеси. Его нельзя создать диффузией примеси сверху. Поэтому изготовление БТ начинается с эпитаксии на поверхности подложки сплошного n+-слоя. Затем на него наращивается будущий коллекторный n-слой. Эти два слоя потребуется разделить на отдельные островки со структурой n+- n, в каждом из которых будет сформирован БТ. Для разделения островков понадобится первая фотолитография и так называемая разделительная диффузия акцепторной примеси, которая превратит промежутки между островками в кремний р-типа.

Для создания базы (р-слой) и эмиттера (n+-слой) потребуются ещё две фотолитографии и диффузии. Завершается изготовление напылением сплошного металлического слоя, ещё одной фотолитографией и травлением «лишнего» металла.

51. Генератор стабильного тока, токовое зеркало, цепь сдвига уровня.

АИС – аналоговые интегральные схемы, использование аналоговых сигналов, описывающихся непрерывными функциями.

Специфика АИС предопределила применение только нескольких типов хорошо зарекомендовавших себя узлов:

1.Генератор стабильного тока;

2.Токовое зеркало;

3.Цепь сдвига уровня;

4.Дифференциальный усилительный каскад.

Генератор стабильного тока:

Стабилизация напряжения сравнительно просто осуществляется при использовании электрического пробоя p-n перехода (стабилитрон). В таком состоянии напряжение на переходе остаётся практически неизменным даже при больших изменениях тока.

Более сложной задачей является стабилизация тока. Если стабильное напряжение обеспечивается элементами с вертикальной ВАХ (участок пробоя), то для стабилизации тока нужны элементы с горизонтальными ВАХ. Протяженными, почти горизонтальными участками ВАХ обладают выходные характеристики биполярного и МДП транзистора, рис. 37.

Рис. 37

Поэтому основным типом генератора стабильного тока (ГСТ) является БТ или МДП транзисторы, включённые последовательно с цепью, в которой нужно стабилизировать ток (стабилизиремая цепь, СЦ на рис. 38 а,б,в). Величина стабилизируемого тока I0 определяется режимом транзистора ГСТ, который задаётся входным током Iб0 в схеме с БТ или входным напряжением Uзи0 в схеме с МДП транзистором. На рис. 38, представлена простейшая схема задания режима ГСТ. Здесь R1, R2, R3 определяют входной ток БТ, а диод D компенсирует температурные изменения режима.

Рис. 38, а,б,в

Токовое зеркало:

В АИС нередко возникает задача создания одинаковых или пропорциональных друг другу токов сразу в нескольких стабилизируемых цепях СЦ, рис. 39. Её решением является применение схемы «токовое зеркало».

Рис. 39

В такой схеме необходимое значение I0 задается сопротивлением R. При этом у Т1 установится некоторое напряжение Uбэ0. Так как все транзисторы схемы соединены участками база-эмиттер параллельно, такое же напряжение Uбэ0 установится у всех транзисторов схемы. Если транзисторы одинаковые, что легко обеспечивается при интегральной технологии изготовления, одинаковые режимы одинаковых транзисторов приведут к равенству токов всех СЦ требуемой величине I0. Таким образом, режимы «ведомых» транзисторов Т2, Т3, Т4… повторяют, «отражают» режим ведущего транзистора Т1. С этим и связано происхождение названия схемы.

Если необходимо неединичное отношение n токов ведущего и ведомого транзисторов, их изготавливают неодинаковыми. При этом изменяют только площадь эмиттерного перехода БТ, что не приводит к усложнению изготовления ИС. Поскольку ток инжекции и выходной ток БТ пропорциональны площади эмиттерного перехода Sэ, у любого ведомого БТ, например у Тn, можно получить ток nI0, где n = Sэn / Sэ1.

Аналогичные схемы применяются в МДП ИС.

Цепь сдвига уровня:

АИС, как правило, имеют многокаскадную структуру. Включение усилительных каскадов один за другим позволяет получить любой желаемый коэффициент усиления:

Непосредственное подключение выхода одного каскада к входу следующего невозможно: постоянное (режимное) выходное напряжение каскадов, как правило, намного выше входного напряжения. Поэтому для соединения каскадов необходима некоторая цепь, отвечающая следующим требованиям:

1)постоянные (режимные) напряжения на входе и выходе могут отличаться на любую желаемую величину. В типичном случае это отличие может составлять несколько Вольт;

2)переменное напряжение (сигнал) должно передаваться от каскада к каскаду с возможно меньшим затуханием.

Такая цепь получила название цепь сдвига уровня, ЦСУ. Её включение показано на рис. 40.

На рис. 41 представлена типичная ЦСУ в АИС на биполярных транзисторах. Здесь цепочка диодов D1, D2, … Dn создаёт необходимый Сдвиг уровня. Напряжение на переходах диодов – прямое, поэтому все они

Рис. 40

Рис. 41

открыты. Напряжение U* на каждом из них составляет около 0,6…0,7 В. Ещё одно такое же напряжение возникает на открытом эмиттерном переходе вспомогательного транзистора Т. Поэтому полная разность напряжений на входе и выходе ЦСУ составляет (n+1) ∙U* Вольт. Этот сдвиг можно изменять, изменяя количество диодов.

Такая схема отвечает и второму условию. Так как все p-n переходы ЦСУ открыты, они обладают малым дифференциальным сопротивлением (сопротивлением переменному току, т.е. сигналу).

Седьмой билет

7.Контактная разность потенциалов, токи в контактах веществ в отсутствие внешнего напряжения. Равновесное состояние.

На границе металлов, проводников и полупроводников веществ всегда возникает электрическое поле, сила которого характеризуется напряжённостью поля Е или, чаще, контактной разностью потенциалов

φк.

В качестве примера рассмотрим контакт двух металлов

Если металлы неодинаковы, неодинакова и сила этих потоков. В результате в одной из приграничных областей концентрация свободных электронов увеличится (обогащение), в другой – уменьшится (обеднение). Равенство по модулю положительных зарядов ядер и отрицательных зарядов электронов в этих областях нарушается, они приобретают заряд: отрицательный в обогащенной области, положительный в обеднённой области. Эти заряды создают в приграничных областях электрическое поле с контактной разностью потенциалов φк.

Работа, которую надо совершить, для выхода электрона из металла, называется работой выхода. Численно она равна qφ, где φ – потенциал электрического поля на поверхности. Для металлов с работами выхода qφ1 и qφ2 контактная разность потенциалов определяется выражением:

Электрическое поле в контакте может способствовать или препятствовать движению подвижных носителей заряда. Потому распространён термин потенциальный барьер, высота которого равна φк.

Собственные токи в контактах

Так как проводники и полупроводники способны проводить ток, в контактах между ними в отсутствие внешнего напряжения могут возникать токи.

контакт полупроводников, отличающихся только концентрацией донорной примеси

Здесь левая область, обозначенная как n+, обладает более высокой концентрацией примесей и основных носителей – свободных электронов. В таком контакте существуют условия для возникновения диффузии: концентрация свободных электронов в n+ области больше, чем в n области, температура не равна нулю. Свободные электроны будут диффундировать из n+ области в n область (обозначены на рисунке кружками, стрелка указывает направление движения). Следовательно, в таком контакте существует диффузионный ток

Iдф.

В n+ области, теряющей часть отрицательных зарядов, возникает обеднение и образуется положительный заряд нескомпенсированных ионов донорной примеси (обозначены квадратами). В n области, в результате обогащения возникает избыточный отрицательный заряд. Поэтому появляется собственное электрическое поле с контактной разностью потенциалов φк. Это поле заставляет часть свободных электронов пересекать контакт в обратном направлении, т.е. порождает встречный дрейфовый ток Iдр. Устанавливается равновесное состояние:

Токи равны и противоположны, поэтому тока во внешней цепи нет.

Нарушение равновесия в отсутствие внешнего напряжения невозможно. Например, при возникновении преобладания Iдф из-за усиления диффузии увеличатся положительный и отрицательный заряд приграничных областей, усилится электрическое поле и возрастёт встречный Iдр. Равновесие восстановится.

22. Инерционные свойства МДП и биполярных транзисторов. Уменьшение инерционности: выбор типа полупроводника и размеров структур.

Термины инерционные или динамические свойства транзисторов подразумевают их неспособность мгновенно реагировать на появление входного сигнала.

Главной причиной инерционности любых электронных элементов является наличие в них ёмкостных или индуктивных, т.е. реактивных составляющих токов и напряжений.

Паразитная ёмкость обратно пропорциональна, а индуктивность прямо пропорциональна длине пути тока в проводниках и слоях элементов. Поскольку длины проводников и толщины слоёв полупроводниковых элементов минимальны, для них более характерно влияние паразитной ёмкости.

Основным паразитным реактивным параметром МДП-транзистора является ёмкость между затвором и каналом Cзк