Билеты экзамен

Свето- и фото-диоды. Солнечные батареи

Устройство свето- и фото-диодов в целом одинаково, рис. 21. Одна из

областей их p-n перехода очень тонкая, что позволяет возникающему в переходе свету излучаться в окружающее пространство (светодиод) или позволяет внешнему свету проникать в переход (фотодиод).

В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии.

Рис. 21

Интенсивная рекомбинация и свечение возможны только при протекании в светодиоде прямого тока от внешнего источника.

Из (2) следует, что длина волны и цвет возникающего света определяются выражением:

где h – постоянная Планка, c – скорость света, Wз – ширина запрещённой зоны полупроводника. Согласно (31), цвет свечения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника.

Кремниевые диоды излучают в инфракрасном, невидимом глазу диапазоне. Кремниевые светодиоды широко применяются, когда их работа не должна видимым светом мешать человеку, например, в пультах управления. Светодиоды на основе фосфида галлия производят красное свечение, на основе карбида кремния – жёлтое и т.д. Решена проблема получения любого цвета свечения. В частности, три различных светодиода – красный, зелёный и синий решают эту проблему в пикселах светодиодных экранов.

Быстро развивается теория и практика гетеропереходов – p-n переходов с полупроводниками различного типа в p- и n-областях. Им свойственно особенно высокое разнообразие возможных электрических и светотехнических характеристик.

Взначительной степени решена проблема высокого к.п.д. светодиодов, который достигает нескольких десятков процентов. Поэтому, а также благодаря исключительно высокой надёжности, светодиоды интенсивно вытесняют лампы накаливания и газонаполненные приборы в осветительной и сигнальной аппаратуре.

Вфотодиодах внешний свет проникает в p-n переход и, если выполняется соотношение (31), вызывает

внём генерацию электронно-дырочных пар. Поскольку в переходе имеется собственное электрическое поле, ускоряющее для неосновных носителей, последние разводятся полем в противоположные стороны и, тем самым, увеличивают дрейфовую составляющую тока. Равновесие диффузионного и дрейфового токов нарушается и в режиме с замкнутой внешней цепью в ней появляется фототок. В режиме с разомкнутой внешней цепью на освещённом p-n переходе появляется фото-э.д.с., также возникающая в результате нарушения равновесного состояния. В обоих случаях фотодиод можно использовать для регистрации падающего на него света. В частности, кремниевый фотодиод помещают на управляемых внешним пультом электронных устройствах. Если в пульте применён кремниевый светодиод, энергия квантов его света, согласно (2) и (31), достаточна для генерации электронно-дырочных пар.

Поскольку в освещаемом p-n переходе происходит преобразование световой энергии в электрическую, такие контакты используются в солнечных батареях. При идеально прозрачной атмосфере и в космосе мощность светового потока от Солнца на Земле достигает 1,4 кВт/м2.

29. Основные понятия и числовые характеристики надёжности.

Основные понятия и числовые характеристики надёжности

Основным понятием теории надёжности является «отказ». Наступление отказов является случайной функцией времени, в связи с чем теория надёжности в значительной степени базируется на теории вероятности.

Одной из главных числовых характеристик надёжности является интенсивность отказов λ:

где n – количество отказов при испытании или эксплуатации объектов; N – количество объектов; t – время испытания или эксплуатации. В качестве единицы времени используется не принятая в СИ секунда, а более естественная в данном случае единица – час. Для наиболее совершенных ИС λ может составлять 10-6 ч-1 и менее.

Первый отказ при испытании партии объектов может наступить очень быстро или, напротив, спустя очень большое время. Поэтому необходимо дождаться, по крайней мере, нескольких отказов (достоверной выборки). При определении λ большой проблемой является необходимость наблюдения за отказами большого количества объектов в течение большого времени. Ускорению появления отказов помогает увеличение температуры (ускоренные испытания). Согласно закону Аррениуса, скорость всех физических и химических процессов экспоненциально, т.е. очень быстро растёт с увеличением температуры. Именно такие процессы, например, коррозия, приводят к отказам.

Наряду с λ часто используется среднее время наработки на отказ tср:

а также вероятность безотказной работы за время наработки на отказ p:

где t - заданное время наработки на отказ.

Для интенсивности отказов любого объекта характерна зависимость от времени вида рис. 1.

Рис. 1

Участок 1 соответствует первому времени испытания или эксплуатации. Повышенная λ в первые часы (дни, недели) работы связана с незамеченными при изготовлении неочевидными, так называемыми скрытыми дефектами. Это могут быть, например, недостаточно качественные элементы или соединения ИС, погрешности изготовления ИС. Затем, когда все скрытые дефекты уже себя проявили, наступает наиболее благоприятный и продолжительный период надёжной работы, участок 2. Однако любым объектам свойственны старение или износ, приводящие к увеличению числа отказов (участок 3).

Данная зависимость носит фундаментальный характер и распространяется на любые виды объектов. В частности, она относится к человеку, которому свойственны частые заболевания (отказы организма) в детстве, наилучшее состояние здоровья в зрелом возрасте и нездоровья в старости.

Повышение надёжности ИС достигается тщательным выявлением скрытых дефектов. ИС с такими дефектами считаются браком и отбрасываются. Длительная надёжная работа ИС обеспечивается в основном, высококачественным корпусом, который защищает ИС от действия кислорода, влаги и агрессивных примесей воздуха, от света и некоторых других видов радиации, от механических повреждений, от насекомых, пыли. В результате отбраковки потенциально ненадёжных ИС и помещения ИС в прочный герметичный корпус надёжность ИС удаётся значительно увеличить (штриховая линия на рис. 1).

44. Ключи интегральных схем: среднее время переключения, средняя потребляемая мощность, средняя работа переключения.

С переходом к интегральной технологии радикально изменилась схемотехника электронных устройств (всё то, что относится к выбору элементного состава и разработке схем их соединений). Технология дискретных элементов позволяла использовать практические любой набор типов элементов при ограниченном их количестве. Технология изготовления ИС, напротив, практически не ограничивает разработчика в количестве элементов, но ограничивает количество их типов до 2 – 3, иногда даже одного типа. Это особенно характерно для цифровых ИС (ЦИС).

Ещё одна особенность ЦИС – использование ключей практически одного типа во всех её частях. Сегодня, почти всегда, это ключ на комплементарных МДП транзисторах. Остальные типы ключей используются сравнительно редко в ИС с невысокой степенью интеграции.

Для ЦИС характерен также специфический набор главных параметров. Очевидно, что очень важна скорость изменения состояния ключей, которое определяет быстродействие (тактовую частоту fC) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается средним временем переключения t:

где t01 и t10 – время перехода ключа из состояния 0 в состояние 1 и наоборот, соответственно. Иногда t

называют также средним временем распространения сигнала.

Однако не менее важным является энергопотребление ключей, от которого зависит количество выделяющегося в ЦИС тепла и поэтому, предельное количество транзисторов и степень интеграции. Энергопотребление ключей оценивается средней потребляемой мощностью Р:

где Р0 и Р1 – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1.

Ни один из этих параметров сам по себе не характеризует качество применяемых ключей. Быстродействие можно увеличить за счёт увеличения расхода энергии (потребляемого тока), расход энергии можно снизить ценой уменьшения быстродействия. Поэтому главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия, затрачиваемая на одно изменение состояния ключа. В настоящее время эта величина приближается к 10-12 Дж.

Зная Pt можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая ИС электрическая энергия переходит в тепловую, т.е. рассеивается в виде тепла, эту мощность называют рассеиваемой мощностью Ррасс. Очевидно, что Ррасс пропорциональна Pt, количеству ключей m и количеству их переключений в секунду, т.е. тактовой частоте fC:

Выражение (8) даёт оценку максимального значения Ррасс, поскольку предполагает, что на каждом тактовом периоде 1 / fC изменяются состояния всех ключей ЦИС. В действительности, выделение тепла может быть значительно меньшим, например, при небольшой загрузке процессора.

В настоящее время Ррасс наиболее высокоинтегрированных ЦИС – процессоров достигает нескольких десятков Вт. Это позволяет относительно просто отводить от них тепло охлаждением вентиляцией воздуха.

Интересно, что по оценкам биологов, человеческий «процессор» – мозг, в процессе размышлений потребляет примерно такую же энергию. В ЦИС потребляется электрическая энергия потока электронов, в мозге потребляется химическая энергия потока крови.

Особенностью ЦИС является также высокая помехоустойчивость. На рис. 16 показан процесс наложения сильной помехи на цифровой сигнал (чередование 0 и 1). Очевидно, что если напряжение, которое отличает нулевое состояние от единичного выбрано правильно, а именно U1/2, то помеха ошибок не вызывает.

Рис. 16

59. Интегральные схемы на переключаемых конденсаторах.

ИС на переключаемых конденсаторах

Из теории цепей известно, что на основе R, C элементов и усилителей можно построить аналоговые узлы с любыми амплитудно- и фазо-частотными характеристиками. Однако интегральная технология не позволяет изготовить R и С элементы с большим сопротивленеием и ёмкостью, точность и стабильность их параметров очень невелика.

Указанная проблема успешно решается в ИС на переключаемых конденсаторах.

Рассмотрим цепь на рис. 56. Здесь транзисторные ключи S1и S2, изготовление которых сложности не представляет, управляются так, что их состояния поочерёдно изменяются. Конденсатор С может обладать очень маленькой ёмкостью и поэтому его изготовление в виде МДП конденсатора трудности не представляет.

Рис. 56

Когда S1 замкнут, происходит заряд емкости С. Когда S1 разомкнут, возникает некоторый ток разряда. В результате от входа к выходу протекает некоторый средний ток. Можно доказать, что если изменение состояний происходит с большой тактовой частотой fc, то такая цепь ведёт себя как активное сопротивление со средней величиной Rэкв = 1/ С ∙ fc. Эффектом квантования, непостоянства сопротивления можно пренебречь, если тактовая частота fc намного превышает частоты сигналов, подвергающихся обработке в цепях с такими R.

Сопротивление таких «резисторов» тем больше, чем меньше емкость С, и чем выше тактовая частота. То и другое облегчает изготовление ИС.

Фундаментальным свойством RC-цепей является также то, что вид и параметры их АЧХ и ФЧХ определяется не столько абсолютными величинами R и С, сколько постоянными времени τ RC-цепочек. Рассмотрим, например, интегрирующую RC-цепочку, рис.57,а. Её постоянная времени

определяется выражением τ = RC. Если резистор такой цепочки заменить на эквивалентный «резистор» с переключаемым конденсатором, рис. 57,б, получим:

Таким образом, в ИС на переключаемых конденсаторах необходимые АЧХ и ФЧХ можно получить при использовании только удобных для изготовления в ИС элементов: МДП-конденсаторов с малой ёмкостью, транзисторных ключей, усилителей и генераторов тактовой частоты. Параметры таких ИС зависят от отношений ёмкостей МДП-конденсаторов, которые отличаются высокой точностью и стабильностью. Изготовление тактового генератора с точной и стабильной частотой также является типовой, успешно решаемой задачей.

Пятнадцатый билет

15. Влияние выбора типа полупроводника, размеров, концентрации примесей и температуры на свойства диодов.

В собственных полупроводниках концентрации свободных электронов и дырок равны (собственная концентрация ni ). Однако для электронных элементов и интегральных схем необходимы полупроводники с преобладанием свободных электронов (n – тип) и с преобладанием дырок (р– тип). Их называют также полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью.

Чтобы получить примесный полупроводник n – типа, в него при изготовлении кристалла добавляют донорную примесь. Атомы такой примеси имеют большую, чем сам полупроводник, валентность. Например, в кремний (числовалентных электронов на внешней электронной оболочке равно 4) может быть добавлен фосфор (валентность 5). Это означает, что в полупроводнике появятся избыточные электроны, не участвующие в образовании связей между атомами. Такие электроны легко становятся свободными, достигается преобладание свободных электронов. Преобладающие по количеству носители называются основными. Неосновных носителей обычно на сколько порядков меньше. По сравнению с ним примесный полупроводник обладает большим достоинством – наличием обширного участка с практически неизменной концентрацией и проводимостью в большом диапазоне температур. Выбирая концентрацию донорной примеси N д при изготовлении можно получать желательные и стабильные параметры полупроводника в необходимом диапазоне температур. При этом обеспечивается соотношение:

n = N д + n i ≈ N д = const

Аналогичные изменения происходят при добавлении акцепторной примеси для изготовления полупроводника р – типа. Такая примесь, например бор с валентностью 3, имеет меньшую, чем кремний, валентность, что приводит к дефициту валентных электронов. Достигается преобладание дырок. Эти уровни легко заполняются валентными электронами, для чего требуется небольшая дополнительная энергия активации W акт . Температурная зависимость концентрации дырок такая же, как и у полупроводника n – типа. Появление акцепторных атомов приводит к появлению разрешённых уровней в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны, Электропроводность собственного полупроводника быстро(экспоненциально) растёт с увеличением температуры, так как при этомусиливается термогенерация электронно-дырочных пар и растёт их концентрация.

30. Основные принципы современной электроники. Закон Мура.

Основные принципы современной электроники

Основополагающими принципами, обеспечивающими высокие функциональные возможности и общедоступность изделий электроники, являются принцип интеграции и принцип группового изготовления. Принцип интеграции заключается в объединении на кристалле ИС возможно большего количества элементов и необходимых соединений между ними. Увеличение степени интеграции, т.е. количества элементов в ИС обеспечивает максимальную защиту элементов и соединений между ними и тем самым максимальную надёжность. Сегодня (2018 г.) ИС содержат уже миллиарды элементов. Такие ИС называют сверхбольшими, СБИС. При этом имеется ввиду степень интеграции, а не размеры, которые составляют без корпуса не более 1 - 2 см 2 . Площадь кристалла ИС не может быть значительно увеличена из-за увеличения вероятности проявления его дефектов. Изготовление больших бездефектных кристаллов кремния оказалось невозможным, поэтому увеличение степени интеграции возможно только за счёт уменьшения размеров элементов. Сегодня размеры основного типа элементов СБИС–транзисторов не превышают нескольких десятков нм^2 .

Темп роста степени интеграции уже несколько десятков лет определяется законом Мура, согласно которому количество элементов ИС возрастает на порядок примерно каждые пять лет (по другой трактовке – удваивается примерно за полтора года). На рис. 2 эта зависимость приближённо отображена графически в виде прямой при логарифмическом масштабе предельного количества транзисторов ИС.

Если такой темп роста сохранится, уже через несколько лет размеры nтранзисторов приблизятся к размерам атома, что сделает изготовление транзисторов невозможным. Это означает неизбежность перехода к совершенно другой элементной базе на основе нанотехнологий.

Принцип группового изготовления заключается в таком построении процесса изготовления ИС, при котором на каждом этапе изготовления обрабатываются одновременно десятки и даже сотни тысяч будущих ИС. Это обеспечивает высочайшую производительность труда и, следовательно, низкую себестоимость. Следует заметить, что снижение себестоимости ИС возможно только при их массовом выпуске. Эту зависимость, иногда называемую «законом кремниевой долины», отражает рис. 3.

Технология изготовления ИС на основе принципа группового изготовления хорошо согласуется с потребностями рынка. Они исчисляются десятками миллионов штук (например, ИС запоминающих устройств и процессоров цифровых электронных устройств).

45. Логические элементы НЕ, И, ИЛИ, принципы их построения.

Логический элемент — элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, независимо от их физической природы, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов.

Логический элемент «И» - конъюнкция, логическое умножение, AND

«И» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход.

Условные обозначения логических элементов «И» с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент «И» с тем или иным числом входов обозначается как «2И», «4И» и т. д. - элемент «И» с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.

Таблица истинности для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль.

На западных схемах значок элемента «И» имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «&».

Логический элемент «ИЛИ» - дизъюнкция, логическое сложение, OR

«ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Он так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ и т. д.

Таблица истинности для элемента «2ИЛИ» показывает, что для появления на выходе логической единицы, достаточно чтобы логическая единица была на первом входе ИЛИ на втором входе. Если логические единицы будут сразу на двух входах, на выходе также будет единица.

На западных схемах значок элемента «ИЛИ» имеет закругление на входе и закругление с заострением на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1».

Логический элемент «НЕ» - отрицание, инвертор, NOT

«НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического отрицания. Данный элемент, имеющий один выход и только один вход, называют еще инвертором, поскольку он на самом деле инвертирует (обращает) входной сигнал. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «НЕ».

Таблица истинности для инвертора показывает, что высокий потенциал на входе даёт низкий потенциал на выходе и наоборот.

На западных схемах значок элемента «НЕ» имеет форму треугольника с кружочком на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1», с кружком на выходе.