Билеты экзамен

компьютерной моделью полупроводникового диода является идеальный электронный ключ, обладающий нулевым сопротивлением при прямом напряжении и бесконечным – при обратном. Такая модель отражает главное свойство диода – одностороннюю проводимость. Однако при этом не учитывается наличие прямого и обратного сопротивлений, их нелинейность, наличие ёмкости p-n перехода и другие важные его свойства. Более совершенной является модель, основывающаяся на формуле Шокли (см.разд.4.3):

Диод при этом моделируется как зависимый источник тока. Зависимость тока I от приложенного напряжения U описывается формулой Шокли (22). Но и такая модель не отражает важнейших свойств реального диода: возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов(рис.51).Кроме того, эта модель не учитывает инерционные свойства диода: согласно(22), ток диода не зависит от частоты и времени, т.е. его частотные и импульсные свойства идеальны.

Более точной, наиболее сложной является модель на основе эквивалентной схемы рис. 52 и системы уравнений (54), (55), (56):

Здесь диод также моделируется зависимым источником тока, однако эта зависимость описывается не одним, а тремя уравнениями. Это позволяет отобразить два близких к прямой линии участка ВАХ простейшими уравнениями первой степени. Это участок пробоя, уравнение (54) и линейная часть ВАХ при прямом напряжении, уравнение (56). Уравнение (55)– уравнение Шокли, которое хорошо описывает начальную часть ВАХ диода при прямом и небольших обратных напряжениях.

В качестве примера компьютерной модели транзистора рассмотрим модель БТ с n-p-n структурой. Её прототип изображён на рис.53:

Здесь диоды моделируют эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) переходы. Принадлежащем выборе параметров этих диодов можно получить точное воспроизведение входной и выходной характеристик. Однако такая «модель» не отражает главное в процессах в БТ: взаимодействие переходов. В частности, при любом значении входного тока в ЭП выходной ток в КП не появляется. Поэтому естественным шагом является введение в эквивалентную схему зависимого источника выходного тока αIэ, ток которого пропорционален входному току Iэ, рис.54. Такая модель отражает важнейшее свойство БТ: в активном режиме возникает выходной ток, пропорциональный входному току. Обратные токи ЭП и КП игнорируются ввиду их малости в наиболее распространённых кремниевых транзисторах. Дальнейшим шагом является добавление ещё одного зависимого 73 источника тока αiIк, который необходим в случае инверсного режима, когда входной ток подается в открытый КП, а в закрытом ЭП появляется выходной ток,

рис.55:

И хотя инверсный режим не применяется, как малоэффективный (α>>αi), он иногда возникает в реальных схемах и полноценная модель должна это отражать. Следующим шагом является учёт ёмкости переходов, что обеспечивается добавлением параллельно диодам полной ёмкости КП Скп и полной ёмкости ЭП Сэп, рис.56. Модель пополнится уравнениями, учитывающими то, что ёмкость p– nпереходаприпрямомнапряжениидиффузионная,приобратномбарьерная.Таи другая зависят не только от знака приложенного напряжения, но и от его величины. Дальнейшее уточнение модели связано с необходимостью учёта активного сопротивления эмиттерной области Rэ, базовой области Rб и коллекторной областей Rк, рис.57. Rэ -сопротивление наиболее легированной области, в связи с чем это сопротивление часто принимается равным нулю. Много большую величину имеет сопротивление базы Rб, в связи с обязательно слабым легированием этой области. Сопротивление Rк учитывают в ключевом режиме, т.к. оно влияет на сопротивление открытого состояния.

42. Ключ на МДП транзисторах с одинаковым каналом.

Большое распространение получили ключи на полевых транзисторах, действие которых основано на управлении рабочим током входным напряжением (полем), имеющие структуру металл-окисел- полупроводник (МОП–транзисторы) или, что одно и то же, металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-

транзисторы). Для них характерно высокое входное сопротивление.

Рис 2.7. Ключ на МДП-транзисторе с индуцированным n-каналом.

При огромном входном сопротивлении Rвх>1012 Ом, нагрузочная способность ключа велика даже при больших Rc. Напряжение нижнего уровня МДП-ключа низкое (практически равно нулю), в отличие от ключа на биполярном транзисторе, у которого в насыщенном режиме на выходе имеется остаточное напряжение насыщения Uкэ нас.

Быстродействие МДП-ключа целиком обусловлено только постоянной времени перезаряда паразитных емкостей – Свх и Свых. В составе ИС, вследствие малых размеров элементов на кристалле и, соответственно, малых паразитных емкостей, полевые ключи обладают высоким быстродействием.

Классическая схема ключа с резистором Rc в стоковой цепи обладает неудовлетворительным быстродействием, так как паразитные емкости перезаряжаются через большие значения Rвх и Rc. Наличие высокоомных резисторов приводит к повышенному тепловыделению на кристалле, резисторы занимают значительную площадь, их изготовление в интегральной технологии взывает значительные трудности.

Поэтому ключи со стоковой нагрузкой в современной интегральной схемотехнике не используется, но подобная схема широко используется в силовых МДП-ключах.

Интегральный КМДП инвертор, показанный на Рис 2.9 реализуется на МДП транзисторе с индуцированным n-каналом VT1 и комплементарным транзистором VT1’; тоже МДП, но с индуцированным p-каналом. Полярность истока транзистора VT1’ должна быть отрицательна относительно стока, поэтому исток VT1’ подключен к +Еп. Когда на вход подан низкий уровень, транзистор VT1, заперт, а транзистор VT1’ открыт; на выходе высокий уровень - напряжение +Еп. Если на вход подан высокий уровень, транзистор VT1 открыт, а транзистор VT1’ заперт; на выходе низкий уровень – практически нуль. Поскольку в каждом состоянии один из транзисторов заперт, а входное сопротивление следующего каскада очень велико, ток в нагрузку практически не ответвляется; сквозной ток в цепи питания отсутствует и статическая мощность, потребляемая от источника питания, ничтожно мала и определяется только токами утечки.

57. Приборы с зарядовой связью. Матрицы для фототехники.

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремниевые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования – обычно, подачей определённой комбинации напряжений на электроды – происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p-типа оснащается каналами из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная яма, назначение которой — хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.

Существуют Матрицы:

1.Матрицы с полнокадровым переносом

2.Полнокадровая матрица

3.Матрицы с буферизацией кадра

4.Матрицы с буферизацией столбцов

5.Матрицы с ортогональным переносом изображения

Тринадцатый билет

13. Идеализированная и реальная вольтамперная характеристика m-n и p-n диодов.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода, в основной своей части, как и ВАХ m-n контакта Шотки, описывается формулой Шокли (22).

Подчиняющуюся этой закономерности ВАХ называют идеализированной, или теоретической ВАХ, рис. 16:

Рис. 16

ВАХ реальных p-n и m-n диодов сильно отклоняются от идеальной ВАХ в области больших обратных напряжений, когда возникает пробой (участок пробоя).

В области больших прямых токов отклонение обусловлено тем, что сопротивление заполненного носителями обеднённого слоя очень мало. При

этом сопротивление перехода в целом определяется сопротивлением прилегающих к переходу областей, в первую очередь, сопротивлением базы r б . У диодов Шотки отклонение реальной ВАХ от экспоненты при больших токах проявляется слабее, т.к. для них слабое легирование полупроводниковой области нехарактерно.

Значительное расхождение наблюдается также в допробойной части обратной ветви ВАХ. Согласно формуле Шокли при обратных напряжениях обратный ток неизменен и равен току насыщения I 0 . Однако в реальности на

этот ток накладываются ещё несколько токов, растущих с увеличением U обр . Одной из составляющих обратного тока является ток утечки I ут , который обусловлен движением носителей не в самом контакте, а по его поверхности. Поверхность полупроводника взаимодействует с окружающей средой и, обладая сводными валентными связями, способна захватывать посторонние атомы. Их валентность, вероятнее всего, будет отличаться от валентности самого полупроводника, т.е. эти атомы будут для полупроводника донорными или акцепторными примесями. В результате поверхность окажется сильнолегированной и будет обладать повышенной электропроводностью. Ток утечки растёт с увеличением U обр и, складываясь с I 0, создаёт наклон допробойной части ВАХ.

28. Основные задачи электроники. Интегральные схемы. Наноэлектроника.

Непрерывно растущие требования к электронным устройствам привели

котказу от использования дискретных (отдельных) электронных элементов и

кначалу эпохи интегральных схем (ИС). В ИС все элементы и соединения межу ними изготавливаются на общем кристалле полупроводника и надежно защищены от внешних воздействий прочным герметичным корпусом. При такой технологии изготовления успешно решаются важнейшие задачи электроники. Основными из них являются обеспечение следующих свойств устройств:

1. Высокая надежность при практически неограниченном и непрерывно растущем количестве элементов; 2. Малые размеры и масса; 3. Низкая себестоимость;

4. Низкое энергопотребление.

Хотя на первом месте по значимости может казаться любое из указанных свойств, именно требования к надёжности привели в своё время к

отказу от дискретных элементов. При большом количестве таких элементов надёжность оказывалась недопустимо низкой из-за большого количества соединений, использования ручного труда и связанными с этим ошибками, недостаточной защищённостью элементов и соединений.

Первоначально всё, что связано с применением ИС, называлось «микроэлектроника». В настоящее время утвердилось название «электроника», которое охватывает области микроэлектроники, традиционной радиоэлектроники и уже появившейся наноэлектроники.

43. Ключ на комплементарных МДП транзисторах.

В процессе переключения транзисторных ключей заряжаются и разряжаются так называемые паразитные ёмкости. Как правило, именно этот переходной процесс ограничивает быстродействие. Паразитные ёмкости в МДП ИС это прежде всего, ёмкость между затвором и каналом и ёмкость транзистора по отношению к подложке. В ИС на биполярных транзисторах это ёмкости p-n переходов и также ёмкость по отношению к подложке. Некоторую ёмкость по отношению к подложке имеют и соединительные проводники между транзисторами ИС. Условно можно считать, что на каждый ключ приходится некоторая суммарная ёмкость С.

На рис. 20 изображена схема ключа на комплементарных МДП-

На рис. 21 представлены временные диаграммы КМДП-ключа при подаче на вход одиночного прямоугольного импульса.

Если входное напряжение Uвх = 0, у n-канального транзистора Uзи = 0,

у р-канального Uзи = - Епит. Поэтому нижний транзистор закрыт, верхний открыт. Цепь от + Епит к земле разорвана, потребляемого тока нет.

Если Uвх = + Епит, нижний транзистор открыт, верхний закрыт. Потребляемого тока также нет. Поэтому в обоих статических (неизменяющихся) состояниях такой ключ тока и энергии не потребляет. Это делает КМДП-ключ «чемпионом» экономичности и объясняет его исключительно широкое распространение.

Небольшой потребляемый ток (ток заряда i зар) , возникает здесь только

Молекулы ЖК в отсутствие поля имеют спиралевидную форму и поэтому изменяют плоскость поляризации проходящего через ЖК света. При определённой толщине и свойствах слоя ЖК изменение плоскости поляризации может составлять 90° .

В таком пикселе имеются два поляризацинных фильтра – внутренний (горизонтальный, 1) и наружный (вертикальный, 2), т.е. отличающиеся поляризацией света на 90° . Входящий в пиксел свет поляризуется фильтром 1 горизонтально. Молекула ЖК в отсутствие поля обеспечивает поляризацию света на 90° . Поэтому свет приобретает вертикальную поляризацию и беспрепятственно проходит наружу через внешний поляризационный фильтр 2. Пиксел «светится». Если на прозрачные электроды 3, 4 подано напряжение, молекулы ЖК «вытягиватся» и перестают изменять поляризацию света. Горизонтально поляризованный свет не проходит через внешний фильтр с вертикальной поляризацией, пиксел не светится. Очевидно, что яркость свечения зависит от силы электрического поля, т.е. от поданного на электроды напряжениея.

Как уже отмечалось, цвет свечения зависит от цвета свечения светодиода. Поэтому каждый элемент изображения может содержать

пикселы с красным, зелёным и синим светодиодами (RGB). Их суммарный свет, в зависимости от поданных напряжений, может создавать любой цвет свечения. Этот принцип является основным при содании цветных ЖКД.

Управление свечением пикселов дисплея осуществляется контроллером, способным управлять матрицей ЖКД. Количество пикселов в ЖКД сегодня может достигать десятков миллионов (форматы HD, 4K).

Четырнадцатый билет

14. Мощный выпрямительный диод, импульсные и высокочастотные диоды, стабилитрон, варикап. Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи.

Мощный выпрямительный диод

К мощным относят высоковольтные и сильноточные диоды, переход которых способен выдерживать большие обратные напряжения (до нескольких кВ) и большие прямые токи (до нескольких кА).

Согласно (27), при заданном обратном напряжении Uобр < Uпр напряжённость поля в p-n переходе можно понижать, увеличивая толщину его обеднённого слоя w. Тем самым достигается увеличение напряжения пробоя Uпр. Увеличение w, согласно (26б), достигается уменьшением концентрации примесей. Поэтому одну из областей, базу высоковольтного p-n диода делают слаболегированной. В m-n диодах Шотки Uпр намного меньше и в качестве высоковольтных диодов они не используются.

Толщина p-n перехода будет ещё больше, если сделать слаболегированной и вторую область. Однако в этом случае уменьшатся градиенты концентрации обоих видов носителей и поэтому окажется небольшим диффузионный прямой ток. Поэтому вторую область перехода, эмиттер, делают сильнолегированной. Это позволяет сделать достаточно большой электронную или дырочную составляющие диффузионного тока. Тем самым обеспечивается необходимое значение прямого тока.

Увеличение допустимого прямого тока достигается также за счёт увеличения площади p-n и m-n переходов. При этом снижается плотность прямого тока Jпр = Iпр/S, которая не должна превышать критического значения. Кроме того, при увеличении S уменьшается сопротивление открытого состояния, что уменьшает тепловые потери при больших токах. Особенно большой прямой ток достигается в диодах Шотки, так как их напряжение открытого состояния и тепловые потери в 2…3 раза меньше, чем у p-n диодов.

Поскольку в ассиметричных p-n переходах (с эмиттером и базой) одновременно максимизируется обратное напряжение и прямой ток, именно такие, ассиметричные переходы наиболее распространены.

Мощные выпрямительные диоды применяются в выпрямителях – преобразователях переменного тока в постоянный.

Импульсные и высокочастотные диоды

Импульсные диоды должны обладать минимальным временем переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В высокочастотных диодах минимальны паразитные реактивные составляющие токов. То и другое обеспечивается, в основном, минимизацией барьерной и диффузионной ёмкостей диодов.

Уменьшение барьерной ёмкости m-n и p-n переходов, согласно (16), достигается уменьшением площади контакта S. На сегодня, благодаря интегральной технологии, она может составлять всего несколько десятков нм2. Однако уменьшение S находится в противоречии с необходимостью обеспечить заданный прямой ток. Поэтому выбор S и других величин в (16) всегда компромиссен. Известны также попытки перехода от кремния к полупроводникам с меньшей величиной εε0.

Диффузионная ёмкость отсутствует в диодах Шотки, что делает их основным типом для указанных применений.

В диодах с p-n переходом диффузионную ёмкость удаётся уменьшить за счёт уменьшения толщины базы. На рис. 17 изображены p-n+ диоды с обычной (а) и тонкой базой (б):

Рис. 17

Т.к. у этих диодов эмиттером является сильнолегированная n-область, при прямом напряжении будет наблюдаться преимущественно электронный диффузионный ток. Рис. 17 демонстрирует распределение свободных электронов в обоих диодах. Очевидно, что в диоде с тонкой базой пространство, где существует диффузионный заряд, а также сам этот заряд, намного меньше. Поэтому здесь намного меньше и диффузионная ёмкость.

Согласно (17), диффузионную емкость p-n диода можно также уменьшить, уменьшив среднее время жизни неосновных носителей в базе τ.

Для этого, например, можно несколько увеличить концентрацию примеси в базе, что вызовет более интенсивную рекомбинацию и уменьшение τ.

Всё сказанное в равной степени относится к m-n и p-n переходам в интегральных схемах, где они используются не только в качестве диодов, но и в составе других элементов.

Стабилитрон

Стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжения в режиме электрического пробоя. В таком диоде используется кремниевый p-n переход, отличающийся способностью работать при температурах до 1250 С и малой склонностью к возникновению теплового пробоя.

Схема включения стабилитрона представлена на рис. 18:

Рис. 18

Здесь Uвх – нестабильное напряжение источника питания – батареи, аккумулятора, солнечной батареи и т.п. На стабилитрон подано обратное напряжение, достаточное для возникновения электрического пробоя. Rогр не позволяет току в стабилитроне превысить предельно допустимое значение Iобр.макс. Тем самым исключается переход электрического пробоя в тепловой. Сопротивление нагрузки Rн включено параллельно стабилитрону. Поэтому напряжения на них равны и близки к напряжению пробоя Uпр. Напряжение на нагрузке, в зависимости от крутизны участка пробоя, остаётся более или менее стабильным.

ВАРИКАП

Варикап – диод, предназначенный для работы в режиме управляемой барьерной ёмкости Cб.

При обратном напряжении на p-n переходе ток в нём очень небольшой и, если есть переменная составляющая Nд, существует ёмкостная составляющая обратного тока Iобр. Ёмкостный обратный ток тем больше, чем больше Cб и выше частота переменной составляющей. Его величина может намного превосходить активную составляющую обратного тока. Поэтому p-n переход при обратном напряжении можно использовать, как ёмкостный элемент. При прямом напряжении это невозможно, т.к. в этом случае появляется на несколько порядков больший активный прямой ток.

Подставив (26) в (16) с учётом того, что при обратном напряжении к = к0 + Uобр, получим:

Из (28) следует, что барьерной емкостью можно управлять, изменяя обратное напряжение на p-n переходе. Таким образом, p-n диод при Uобр является элементом с ёмкостью Cб, которую можно изменять.

При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость Cб(Uобр) была более сильной. В общем случае эта зависимость описывается выражением

где m = 0,3…1.

Схема включения варикапа приведена на рис. 19. Здесь варикап

Рис. 19

включён как ёмкость последовательного колебательного контура. На него подаётся управляющее обратное напряжение Uупр. Изменяя это напряжение можно настраивать колебательный контур на необходимую резонансную частоту ω0 = (1/√LC).