1. Электроника – наука о взаимодействии электронов и других заряженных частиц и квантов излучения с ЭМ полями в вакууме различных средах и у границх их раздела а также о методах создания приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для передачи, обработки и хранения информации

1) в Эл разрабатываются приборы и технологии их изготовления.

2) на основе этих приборов созд-ся различ системы комплексы для решения задач в разных областях

Развитие электроники связанно с:

- освоением больших мощностей;

- осв. сверхвысокочастотного диапазона;

-улучшение параметров приборов: быстродействие, точность и тд.

График зависимости мощности и частотного диап-на от типа прибора:

Основная составляющая – схемотехническая эл-ка. В ней функционируют элементарные ячейки, которые распределены по разному в обьёме тв.тела. (резисторы, конденсаторы, диоды) и способны выполнять сложные схемотехнические функции только в совокупности (в составе интегральных схем).

Вторая составляющая – создание приборов в функциональной эл-ке, в которой осуществляется обработка информации на основе физических процессов, протекающих в твердых телах и средах.

Проблемы: 1)быстродействие подходит к своему постоянству; 2)невозможно создание микросхем с большим кол-вом элементов, т.к. больше 60% схемы – соединения; 3)проблемы параметров.

Наноэл-ка. В приборах наноэл-ки контролируется перемещение определенного количества электронов в перспективе одного электрона. В таких приборах перемещение электронов происходит посредством тунелирования. Т.к. время туннелирования мало то теоретический предел быстродействия таких приборов высок. Работа осуществляется по переносу одного или нескольких электронов, значит мало и энергопотребление таких приборов

Достоинства: высокая степень интеграции, быстродействие, малое энергопотребление.

2. Полупроводниковые диоды.

П/п диод – электроприбор, который содержит один электрический переход и 2 внешних вывода. Электрический переход – переходный слой м/у областями с различными типами проводимости: м/у p и n областями, м/у областями с различной шириной запрещенной зоны.

П/п прибор –двухполюсник с нелинейной ВАХ. Выполняет функции выпрямителя, детектирования, умножения частоты, преобразования световой энергии в электрическую.

Классификация по различным признакам:

по их назначению

по физическим свойствам

по электрическим параметрам

по конструкционно технологическим признакам

по исходному материалу

Маркировка п/п приб-в состоит из элементов:

1) цифра или буква: Г-1,К-2,А-3,И-4.

2) код, класс прибора: выпрям-ные, имп-ные.

3) эксплутационные признаки, функциональные возможности.

4) числа 01-99 и больше – порядковый номер разработки.

5) буква – классификация прибора в пределах одной серии.

Выпрямительные низкочастотные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию и ёмкости которых, а также к стабильности их параметров не предъявляется спец. требований. Имеют малое сопротивление в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи.

Параметры:

1) max допустимое обр. напряжение – значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать долго без нарушения работоспособности ; 2)I_средн. – среднее за период значение выпрямленного тока ; 3) Iпредельн.средн. – пиковое значение импульса тока 4) U пр.средн. – напряжение при заданном прямом среднем токе 5) средняя рассеиваемая мощность; 6) дифференциальное сопр – отношение приращения напряжения к вызвавшему это приращение малому значению тока ;7) рабочий температурный диапазон.

Электрические св-ва кремния и германия

В качестве ВД используются сплавные, диффузионные,диоды на основе несимметричных p-n переходах. Допустимую площадь p-n перехода рассчитывают исходя из допустимой плотности тока.

J_si=200 А/см², j_Ge=100 А/см².

ВАХ диодов.

Отличия:

1.Прямое падения напряжения Ge примерно в 2 раза меньше Si, что вызвано меньшей высотой потенциального барьера изза меньше ширины запрещенной зоны – единственное преимущество Ge перед Si

2.Обратные токи в Si меньше чем Ge

3.Обратная ветвь ВАХ Si не имеет ярко выраженного участка напряжения, т.к. обратный ток кремниего перехода определяется в основном током генерации и током утечки. Обратный ток Ge-го диода определяется в основном тепловым током.

4.Диапазон рабочих температур: верхний предел определяется ухудшением выпрямительных свойств из-за роста теплового тока. При высоких температурах уменьшается подвижность, что ведет к увеличению сопротивления базы и увеличению прямого падения напряжения. Пробой в кремниевых диодах – лавинный, ТКН положительный. В германиевых диодах – пробой лавинный, но т.к. обратные токи Ge велики, то раньше может наступить тепловой пробой.

Вентильные свойства тем лучше, чем меньше обратный ток насыщения при заданном обратном напряжении и чем меньше прямое напряжение при заданном прямом токе

3. Импульсные диоды. П/п прибор для работы в имп-ном режиме, и имеющий малую длительность прех-ных процессов.

Параметры: 1) общая ёмкость диода; 2) max имп. прямое напряжение; 3) max допустимый имп. ток; 4) время установления прямого напр.; 5) время восст. обр. сопротивления и время установления прямого напряжения 6) заряд переключения – величина заряда, переносимого обратным током после переключения диода с заданного прямого напряжения на заданное обратное. Из-за инерционности процессов переключения ИД из прямого режима в обратный или наоборот не мгновенно, а в течении некоторого времени. Переходный процесс зависит от амплитуды входного сигнала и внутреннего напряжения генератора.

Режим работы имп. диода.

Имп.диоды работают при больших прямых токах. При переключении напр-я с прямого на обратное нз в базе, накопленные в прямом токе не успевают рассосаться. Поэтому происходит выброс обратного тока. С течением времени накопленные в базе неосовные носители заряда рекомб., уходят ч/з переход, сопр. базы увелич-ся и обратный ток падает до некоторого знач-я I насыщения, а обратное сопротивление восстанавливается до своего постоянного значения. Время восстановления обратного сопротивления равно интервалу от момента перехода тока через ноль после изменения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное до момента достижения обратным током заданного низкого значения 0.1Iпрямого.

Рисунки:

Переходный процесс при переключ. прямого на обр. и уменьшении обр.тока до опред-го знач., называется процессом восст-я обр. сопр. А время – время восстановления обратного сопротивления.

Подключение имп. диода к генератору тока.

При подключении появляется скачок напяжения. из-за того, что сопр.базы очень большое. По мере насыщения сопр.падает до знач. Инт.времени от подкл. диода к генератору тока (при нулевом смещении) до достижения напр. установившегося знач. – время установления прямого напр. При низких уровнях инжекции на 1-ое мсто выступает барьерная ёмкость, для её перезаряда требуется большое время. Для уменьшения времени перех.процессов вводят примесный атом золота, который обр.дополнит. уровни ловушек. Процесс рекомб. ускоряется.

4. Диоды Шотки. П/п диод, выпрямительные св-ва которого основаны на физич.процессах, происходящих в переходе Me-п/п. Ограничение у такого диода связано только с перезарядом барьерной ёмкости.

Выпрямляющие свойства А_Me<A_p, А_Me>A_n

1.В ДШ прямой ток обусловлен движением основных носителей заряда (инжекция неосновных отсутствует) поэтому контакт Ме/п/п обладает только барьерной емкостью, что очень увеличивает быстродействие ДШ.

2.Значительно меньшее прямое падение напряжения по сравнению с диодами на основе p-n переходов, (т.к. сопротивление Ме <сопротивления п/п).

3.Большая допустимая плотность прямого тока.

4.Прямая ветвь ВАХ близка к идеальной, что позволяет использовать ДШ в качестве быстродействующих логарифмических элементов.

5.Простота изготовления и хорошая технологическая совместимость в интегральных схемах.

6.В ДШ высоту потенциального барьера можно варьировать путем выбора соответствующего металла.

Диоды Ш. используются в качестве выпрямительных и импульсных диодов

Выпрямительные д.Ш.:

I>10А; U_пр<0,6А; f=0,2 МГц.

Диод Шотки. Обозначение

Ме-п/п. Тип контакта определяется: 1) работой выхода е; 2)типом электропроводности; 3) конц-ей примеси. Поверхность, по которой они контактируют наз-ся металлургической границей. Уровень Ферми в Ме всегда расположен в зоне проводимости и для равновесного состояния должен быть единым.

При контакте Ме-п/п в приконтактной области образуется слой, обеднённый нз (конц-я дырок уменьшается) и энергетические зоны искривляются вниз.

Преход м/у Ме и п/п – переход Шотки. Характерно, что конц-я основных нз понижена по сравнению с конц-ей в глубинных слоях п/п. Если в системе Ме-п/п приложено внешнее напряжение плюсом к Ме (дырки, которые остались будут оттесняться) и минусом к п/п, то такое включение называется обратным. Наоборот – прямое. Переход Ме-п/п обладает вентильными св-ми.

5. Диоды с резким восст-ем обр.сопр. – это п/п диоды, в которых этот эффект исп-ся для формирования прямоуг. импульсов с малым временем нарастания и для умножения частоты.

Для увеличения быстродействия нужно уменьшить время переходных процессов за счет:

1.Уменьшения времени рассасывания

2.Исключения эффекта накопления неосновных носителей заряда

3.Путем исключения процессов инжекции.

Рассмотрим переключение диода при работе от генератора напр.:

1-я фаза опред. от момента прохождения токач/з ноль до начала спада, заканчивается в момент, когда нз у границы перехода со стороны базы уменьшается до равновесного состояния. 2-я фаза опред-ся рекомбинацией нз в глубинных обл.базы или их выходом ч/з переход.

Если уменьшить длит-ть 2-ой фазы, то t₁ будет близок к прямоуг-му, для этого технологич-м путём формируют встроенное эл.поле путём создания градиенты конц-ции. Это поле способствует уменьшению времени 2-й фазы. Формируются имп-сы с параметрами не достижимыми другими диодами.

Параметры таких диодов: 1.t_эф –эффективное время жизни неосновных носителей, определяющее процесс рекомбинации носителей заряда в базе; 2.Q_пк – заряд переключения, часть накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при переключении с прямого U на обр. 3.Максимально допустимый импульсный обратный ток.

6. Стабилитроны – п/п диоды, напряжение на которых в обл. пробоин (при обр. смещении) слабо зависит от тока (в заданном диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения).

Механизм пробоя:

туннельный (низковольтный) до 6В;

лавинный (высоковольтные) после 8В;

от 6 до 8В – смешанные.

Темп.коэф. напр. при туннельном отрицательный, при лавинном положительный.

ВАХ:

Осн. параметры: U стабилизации, определяемое при заданном токе; I_{стаб max} – max ток стабилизации, при котором рассеиваемая мощность не превышает допустимую; I_{стаб min} – min ток стабилизации, при котором пробой приобретает устойчивый характер; R_СТАБ.=dU_СТ/I_СТ – определяется на участке АЗ; ТКН стабилизации α_стаб =

Стаб.могут исп-ся как имп.обращённые диоды с большим быстродействием, работающий с малыми напр-ми.

Схема включения стаб-нов:

E=(i_а+i_н)R+U_СТ;

7. Прецизионные стаб-ны, двух анодные стабилитроны. В них используется как правило три последовательно включенных p-n перехода, один из которых – стабилизационный в обратном направлении, а два других термокомпенсирующих – в прямом.

Если стабилизационный переход работает в режиме лавинного пробоя то при увеличении температуры напряжение на нем увеличивается, одновременно напряжение на двух термокомпенсирующих уменьшается т.к. уменьшается высота потенциального барьера. В результате общее напряжение на стабилитроне меняется незначительно и αстаб очень мало.

Двуханодные стабилитроны:

Применяются в схемах стабилизации и двухстороннего ограничения двухполярных импульсов. Их структура формируется диффузией примесей в пластины n кремния одновременно с двух сторон, образующиеся при этом p-n переходы включены встречно. Внешние выводы имеют только анодные p-n области. При подаче напряжения любой полярности один из переходов будет стабилизирующим, другой – термокомпенсирующим.

Стабистор – п/п диод, в котором U в области прямого смещения слабо зависит от тока (в заданном диапазоне) и который предназначен для стабилизации напр.

Имеет малое диф. сопротивление, отрицательный . При увеличении температуры напряжение стабилизации уменьшается. Это связанно с уменьшением высоты потенциального барьера. Из-за малого удельного сопротивления толщина перехода и напряжение пробоя получается мало.

8. Варикапы – п/п диоды, предназначенные для работы в качестве управляемой электрическим напряжением емкости. Принцип действия основан на зависимости ёмкости перехода от приложенного напряжения. Работают при обратном смещении, т.е. используется барьерная ёмкость. Ёмкость варикапа:

m зависит от технологии изготовления.

Зависимоть С от U:

Чтобы зависимость была более резкой применяют метод обратной конц.:

Сопротивление базы варикапов должно быть маленьким. Основная часть базы – низкоомная.

Чем больше конц., тем меньше пробивное напр. и меньше потери. Чтобы их развязать добавляют структуру n+.

Параметры варикапа: 1)ёмкость, определяемая при заданном U_обр; 2).коэффициент перекрытия K_C=C_{Bварикапа max}/C_Bmin; 3)добротность Q=x_C/r, r – суммарное сопротивление потерь, где Х_с – реактивное сопротивление на заданной частоте. температурный коэффициент ёмкости

4) Частотный диапазон ∆f=fmax – fmin. Определяется граничными частотами, на которых Q=1

Пример:

11. Лавинно-пролётные диоды (ЛПД) – п/п диод, работающий в режиме лавинного размножения зарядов при обратном смещении p-n-перехода и предназначенный для генерации СВЧ сигналов.

Рассмотрим структуру pn

Рассмотрим структуру pnn⁺ при обратном напряжении, имеющем постоянную периодическую составляющую. Пара электрон-дырка генерируют в узкой области p-n перехода вблизи металлургической границы, где Е>Е_{критическое} разделяются электрическим полем.

Eкр – когда происходит ударная ионизация и лавинный пробой. - обл. генерации. Сдвиг по фазе определяется следующими процессами: 1)время для набора энергии достаточной для ионизации; 2)встреча носителей заряда случайна, т.е. время набора энергии не всегда совпадает со временем столкновения. Фазовый сдвиг может быть до 180°. Увеличение тока сопровождается уменьшением напряжения. Т.е. на этой частоте выполняется условие отрицательного дифференциального напряжения следовательно диод может быть использован в качестве генератора СВЧ сигнала. Недостатки: 1) низкий КПД из-за узкого диапазона амплитуд напряжений; 2) большой шум.

12. Биполярный транзистор: Это п.п. прибор с двумя взаимодействующими переходами и с тремя внешними выводами усилительные, свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Классификация:

1) по количеству переходов.

2)по порядку чередования областей: pnp, npn.

3)По характеру распределения примесей и движению носителей: бездрейфовые, лавинные, туннельные.

Работа транзисторов в активном режиме.

Основой работы любого транзистора является 1)малая толщина базы 2)базовая область является всегда более высокоомной (слабо легированной) по сравнению с другими областями.

Физические процессы. Толщина W (базы)<< диффузионной длины. В зависимости от смещения переходо различают: 1) режим отсечки (оба перехода смещены в обратном направлении, ток ч/з структуру очень мал); 2)режим насыщения (оба смещения в прямом направлении, ток ч/з структуру довольно большой); 3)активный режим (1-е смещение в прямом направлении, а др. в обратном. Наиболее эффективно осуществляется управление токами.). Конструктивные и технологические области изготавливаются так, что из одна из областей наиболее эффективно работает в режиме инжекции, а другая в режиме собирания нз. Поэтому одна область – эмитер, а др. – коллектор. Основные процессы определяются процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения концентрации примесей может существовать или отсутствовать внутреннее электрическое поле. Если при отсутствии тока в базе есть электрическое поле, то такие транзисторы называются дрейфовыми, если не, то бездрейфовые. Электрическое поле в базе обусловлено градиентом концентрации примесей. Градиент концентрации основных носителей вызывает их перераспределение в базе. Из области с большой концентрацией основные носители уходят, оставляя некомпенсированные ионы, и переходят в область с меньшей концентрацией примесей. Возникает эл. поле направленного тока, что способствует движению неосновных носителей из области с большей в область с меньшей концентрацией. Т.е. эл. поле способствует движению носителей от Э к К. Коэффициент передачи:

Напряжённость внутреннего поля напралена так, чтобы способствовать движению неосновных носителей зарда от Э к К.

База энергетически нейтральна.

Вывод: принцип действия бип-ного транз-ра основан на создании транзитного потока нз из эммитера в коллектор ч/з базу, и на создании и управлении выходным (колл-ным) током за счёт входного (эмитерного), т.е. биполярный транз-р управляется током.