Лекции по "Микроэлектронике"

Стабилитроны  и стабисторы. Приборы, на основе p-n-перехода, предназначенные для стабилизации напряжения. Стабилитрон – полупроводник диод, ВАХ который имеет участок малой зависимости приложенного напряжения от тока, протекающего через него. Такой участок лежит на обратной ветви ВАХ и возникает в результате электрического пробоя диода.

Основные параметры:

1. U_{стаб.номин.}
2. ΔU_стаб.- разброс напряжения стабилизации.
3. J_{ст.номин.}

4,5. J_ст.min , J_ст.max

6. Дифференциальное сопротивление стабилизатора на рабочем участке Rg=(ΔU/ΔJ)/J=J_{ст номин}
7. (Т.К.Н.) Температурный коэффициент напряжения.

Стабистор предназначен для стабилизации напряжения и представляет собой диод, смещённый в прямом напряжении.

Остальные параметры  стабисторов аналогичны параметрам стабилитронов. Стабисторы имеют U_{ст ном}< 3,2 В. Стабисторы используются для получения стабилизируемых напряжений <3,2В.

Туннельный  и обращенный диоды. На границе сильнолегированных p-n областей имеет место туннельный эффект. Он проявляется в том, что на прямой ветви ВАХ диода появляется участок с отрицательным сопротивлением. Обратная ветвь такого диода практически отсутствует, то есть при малых обратных напряжениях начинается туннельный пробой, а отсюда резкое возрастание обратного тока. Участок с отрицательным сопротивлением позволяет использовать туннельные диоды для усиления и генерации электрических сигналов.

Обращенные  диоды.  Обращенные диоды являются разновидностью туннельных. В них концентрация (N) примеси несколько меньше, чем в туннельных. За счет этого отсутствует участок с отрицательным сопротивлением.

Обратная ветвь таких  диодов является проводящей электрический  ток за счет туннельного пробоя. Обращенные диоды применяются для  выпрямления переменных сигналов небольшой  амплитуды до 0,3в.

Маркировка  полупроводниковых диодов.

Маркировка состоит  из шести элементов:

К Д 2 1 7 А или К С 1 9 1 Е

^{1  2  3  4  5  6        1  2  3  4   5  6}

1 - Буква или цифра, указывающая  вид материала, из которого  изготовлен диод:

1 или Г – Ge (германий),

2 или К – Si (кремний),

3 или А – GeAs.

2 - Буква, указывающая тип диода  по его функциональному назначению:

Д – диод,

С – стабилитрон, стабистор,

В – варикап,

И – туннельный диод.

3,4,5 – Цифры, указывающие назначение  и электрические свойства диодов.

6 - Буква, указывающая деление  диодов по параметрическим группам.

 

ЛЕКЦИЯ 4

Переходные процессы в RC цепи

 

Внутренние эквивалентные  схемы полупроводниковых приборов и внешние электрические цепи представляют собой RC соединения, в которых при подаче переменных сигналов наблюдаются динамические неустановившиеся процессы, называемые в электротехнике – переходные. На рисунке 16 представлена RC цепь, на вход которой подается скачок напряжения амплитудой Е. Скачкообразная подача напряжения обеспечивается замыканием ключа S.   

Для поиска аналитического описания динамики тока и напряжения на отдельных элементах воспользуемся вторым законом Кирхгофа.

По второму закону Кирхгофа для этой цепи

Ri + u_C = Е.

Ток в емкости  можно представить в виде i = Cdu_C/dt. Отсюда

                                          RC(du_c / dt) +u_c = E

 

Установившееся  значение напряжения на емкости после  замыкания ключа S всегда будет равно E, т.к. на постоянном токе в установившемся режиме du_C/dt = 0 и i = Cdu_C/dt = 0, а u_C = u - Ri = E - Ri = E. Поэтому напряжение на емкости в общем виде будет равно

 

u_C = u_у + u_с= E + Ue- ^t/τ . (1)

 

Пусть напряжение на емкости до коммутации было   u_C(0- ) = +U₀ (знак + соответствует полярности напряжения на рисeyrt 15 а). Тогда из (1) для момента времени непосредственно после замыкания ключа найдем постоянную U

,

а затем и  выражение для напряжения на емкости  в виде

,                                     (2)

где τ = RC - постоянная времени переходного процесса.

Отсюда можно  найти ток в цепи и падение напряжения на резисторе

                 (3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 16- Переходные процессы в RC цепи

 

На рис. 16 б-г) приведены временные диаграммы переходного процесса подключения R-C цепи к источнику постоянной ЭДС для трех вариантов начальных значений напряжения на емкости: 1) E > U₀ > 0 ; 2) E < U₀ и U₀ > 0; 3) U₀ < 0 Во всех случаях напряжение на емкости монотонно по экспоненте изменяется отU₀ до E. В то время как ток и напряжение на резисторе в момент коммутации скачкообразно изменяются на величину пропорциональную разности или сумме E и U₀, а затем монотонно уменьшаются до нуля. При этом, если E < U₀, то ток и падение напряжения на R отрицательны, т.е. происходит разряд емкости.

Полный разряд емкости происходит при отсутствии внешних источников энергии. После  переключения ключа S вся энергия, накопленная в электрическом поле емкости C преобразуется в тепло в резисторе R.

Напряжение  на емкости в переходном процессе будет иметь только свободную  составляющую

u_C = u_с= Ue- ^t/t

и если цепь достаточно длительное время была подключена к  источнику, то в момент переключения напряжение на емкости будет равно E. Поэтому постоянная U будет равна

u_C(0- ) = E = u_C(0₊) = U,

а напряжение на емкости в переходном процессе -

                                           u_C = Ee- ^t/τ .                                             (4)

Отсюда ток  в цепи и напряжение на резисторе

.(5)

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 5

Биполярный  транзистор

 

 Общие сведения. Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами. Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки. Транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n. Наиболее распространены в применении транзисторы n-p-n  типа, так как они обладают рядом преимуществ. В схемах биполярные транзисторы изображаются следующим образом:

 

Рисунок 17 –Схемное изображение транзисторов.

 

Индексом "б" обозначен базовый вход, "к" обозначается коллектор, а "э" – эмиттер. Направление стрелки у эмиттера является отличительным признаком типа  транзистора (п-р-п или р-п-р) и указывает направление тока эмиттерного перехода. Тогда, коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, а коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. Токи и напряжения на электродах транзисторов p-n-p  и n-p-n проводимостей представлены на рисунке 18.

 

 

 

Рис.18 – Токи и напряжения в транзисторах разной проводимости

 

В зависимости  от того, какой из выводов транзистора  является общим между входным  источником сигнала и выходной цепью  транзистора, существуют три основные схемы включения транзистора, а  именно,  с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (см. рис. 19). 

а) – с общей базой; б) – с общим эмиттером; в) –  с  общим коллектором.

Рисунок 19 – Существующие схемы включения транзисторов

 

Основные сравнительные  технические параметры различных  схем включения транзистора  приведены  в таблице.1

Наиболее общим и наглядным часто применяющимся показателем свойств транзистора, являются экспериментально снятые статические вольтамперные характеристики (ВАХ). Статические характеристики представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между токами, протекающими в транзисторе, и напряжениями на его p-n переходах при Rн=0. Эти характеристики являются для каждого типа транзистора уникальными и приводятся в его заводских паспортных данных, а также их можно найти в справочниках по полупроводниковым приборам [3,4].

Таблица 1 - Сравнительные  технические параметры различных  схем включения транзистора [6]

 

	rвх	rвых	Ku	Ki	Kp	Замечания
ОЭ	среднее	высокое	Большое	Большое	Очень большое	Часто использ.
ОК	очень большое	очень низкое	1	Большое	Большое	Не часто использ.
ОБ	малое	очень высокое	Большое	1	Большое	Редко использ.

Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики.

На практике наиболее часто используют схему  включения транзистора с общим  эмиттером ОЭ. При подобном включении входным электродом  является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом является коллектор.

Входной характеристикой  транзистора, включенного по схеме  с ОЭ, является зависимость напряжения U_бэ от входного тока I_б, U_бэ =f₁(I_б) при заданном напряжении U_кэ. В цепи коллектора может протекать неуправляемый тепловой ток. При U_кэ =0 тепловой ток I_к0 в цепи коллектора отсутствует и появляется только при U_кэ>0, при этом он  направлен навстречу току I_б , как это показано на рисунке 20.

Выходной характеристикой  транзистора по схеме с ОЭ считывается  зависимость I_к =f₂(U_кэ) при заданном токе I_б. Если U_бэ=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует.

 

 

Рисунок 20 –Схема распределения  температурных токов транзистора

 

Вольт-амперные характеристики условного транзистора  в статическом режиме приведены  на рисунке 21.

 

               б)-входные вольт-амперные характеристики  транзистора;

в)- выходные вольт-амперные характеристики транзистора.

 

Рисунок 21 – Входные и выходные ВАХ транзистора.

 

Как видно из входной ВАХ (см.рис. 21-б), транзистор по входу обладает некоторой зоной нечувствительности до определенного напряжения Uбэ, т.е, не обладает усилительными свойствами. У германиевых транзисторов это напряжение меньше, чем у кремниевых и принято считать, что оно составляет 0.3-05 В, а у кремниевых лежит в пределах 0.6-0.9 В (в дальнейшем будем считать равным 0.7В)..

Основным параметром транзистора, как усилительного  элемента,  для схемы включения  с ОЭ в статическом режиме является коэффициент усиления тока базы h_21э:

h_21э=β =  I_к / I_б, при U_кэ= const                                          (6)

В справочнике  на это специально обращают внимание, указывая, что этот параметр дан  для статического режима. У большинства транзисторов величина h_21э лежит в интервале значений h_21э =10 -200. 

 Параметр h_21э относится к h – параметрам (параметр четырехполюсника)_. В справочниках приводятся еще некоторые h – параметры такие как:

- h _11э - входное дифференциальное сопротивление транзистора, которое определяется из выражения  h _11э = Δ U_бэ / Δ I_б,  U_кэ=const;                 

- h_22э  - выходная дифференциальная проводимость h_22э =  Δ I_к / Δ U_кэ,  I_б= const                             

Эти два параметра  относятся к динамическим параметрам.

Для схемы с  ОЭ входное сопротивление составляет единицы кОм, а выходная проводимость - 10^-4  -10^-5 .

При работе транзистора  с коллекторной нагрузкой R_к , напряжение на коллекторе будет уменьшаться при больших токах коллектора  и может достичь нуля. Связь между коллекторным током I_к и напряжением на коллекторе U_к выражается уравнением нагрузочной прямой, которая  имеет следующий вид:

I_к=(Е_к - U_к)/R_к  (7)

Графически  нагрузочная прямая на семействе  коллекторных характеристик транзистора (см. рис21-в) пересекается с осями координат  в следующих точках: на горизонтальной оси напряжения между коллектором и эмиттером (Uкэ) в точке  Ек, когда Iк = 0 и  на вертикальной оси коллекторного тока (Iк) в точке Ек/ Rк, когда транзистор находится в режиме насыщения ( можно считать, что транзистор короткозамкнут).

Приведенные графические  построения и расчеты используются при проектировании различных усилительных схем на биполярных транзисторах.

 

 

ЛЕКЦИЯ 6

Устройство  и принцип работы полевого транзистора 

 

Полевой транзистор состоит из слаболегированного полупроводника n-типа, выполненного в виде тонкой пластинки ил стержня. Он представляет собой канал. На каждую из боковых граней канала наносится полупроводник p-типа, представляющий собой затвор. Торцы пластины n-типа снабжены электродами. Один из выводов (каналов) – исток (соединяется с общей точкой схемы), а другой – сток.