Электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Еп

Ев

Зона проводи-мости

Валентная зона

Е

п/п

Еп

Ев

∆Ед> ∆Еп/п

Если ∆Еп/п< 3эВ, то это п/п

Собственная электропроводность

Ток дрейфа (i-типа)

Е

-

+

i

Iдр

+

-

Iдр = Iп + Iр

Зона проводи-мости

Валентная зона

Уровни доноров

-

Температурный потенциал

φТ= kT/q ≈ T/11600 (B)

φТ=300K≈ 0,025 (B)

k – постоянная Больцмана

q – заряд электрона

T – абсолютная температура

2. П/п – п/п
а) p – n (n – p)
б) p+ – p (n+ – n)
в) p – i (n – i)

1 а.

М

n

−

−

AM < An - невыпрямляющий

1 б.

М

n

−

−

AM > An - выпрямляющий

+

+

+

−

−

−

Евнут

Отрицательный объемный заряд

Положительный объемный заряд

Е

+

-

Евнеш

М

n

Евнут

Евнеш > Евнут

Переход открыт

Е

Евнеш

М

n

Евнут

Евнут + Евнеш

Переход закрыт

-

+

p – n переход

p

n

+

+

+

−

−

−

+

−

Евнут

объемные заряды атомов примесей

Схема замещения в равновесном режиме

Rp

Rpn

Rn

Upn

−

+

Rpn >> Rp, Rn

Upn – барьерная разность потенциалов

Upn ≈ 0,4 B (Ge) Upn ≈ 0,7 B (Si)

Прямое смещение

Епр

+

-

Евнеш

p

n

Евнут

−

−

−

+

+

+

Если Евнеш = Евнут, то толщина объемных зарядов = 0

Iпр

При Евнеш > Евнут через переход потечет ток Iпр

Rp >> Rn или наоборот – несимметричный переход

Схема замещения

Rn

Rp

Iпр= I0 (e - 1)

Eпр/φt

E=φt*ln(Iпр/I0 + 1)

+

−

─ тепловой ток

ВАХ перехода

T1 > T2

rдиф = dU/dI =

dφT * ln(Iпр/I0 + 1)

dIпр

=

φT

Iпр + I0

≈

φT

Iпр

При Iпр >> I0

Сопротивление постоянному току

Rпр=

U

Iпр

φT

Iпр

=

* ln(Iпр/I0 + 1)

Rобр=

|U|

I0

; при |U| >> φT

2. Диффузионная (Сдиф) – связана с изменением концентрации свободных носителей заряда при прямом смещении

2. Выключение

E

0

0

I

u0

Iпр

Iобр

t2

t

t

u1

Iобрмакс

uпер

t

tрас

tсп

0

uпер(t) – зависимость падения U на переходе от времени, при запирании

tрас=τ ln(1+ Iпр/ Iобрмакс ) – время рассасывания неосновных носителей в базе

τ – время жизни неосновных носителей в базе

τсп – время убывания инжекции до нуля

2. по функциональному назначению

- выпрямительные, - фотодиоды,
- стабилитроны, - светодиоды,
- туннельные, - диоды Шотки.

Диод – полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько переходов и имеющий два электрода.

p

n

Б

Э

эмиттер

база

Pp >>nn

Прямая ветвь диода

Iпр= I0(e - 1)

E - Iпр τб

φt

τб – омическое сопротивление базы

E = φt ln ( + 1) + Iпрτб

Для малых Iпр

E ≈ φt ln ( + 1)

Стабилитроны

Uстмакс– номинальное напряжение стабилизации Iстмакс – максимальный ток
Iстмин – минимальный ток Iстн – номинальный ток

αст – средний температурный коэффициент стабилизации

Uст – напряжение стабилизации

δUст – изменение Uсб при изменении температуры на ∆T

αст = (-1 ÷ 20)·105

1

град

Двуханодные стабилитроны

vd

П1

П2

U

I

+Uст

─Uст

Стабисторы

vd

U

I

Uст

Uст≈1,4В

Uст≈0,7В

Используется кремний с высокой концентрацией

δСн

Сн ∆Т

– температурный коэффициент емкости

Кс =

Смак

Смин

– коэффициент перекрытия

Q – добротность

Туннельные диоды

vd

Iдиф

Iд

I

Iт

U1

U2

U

Iд = Iдиф + Iт

Параметры:

U1(I1) – напряжение (ток) максимума

U2(I2) – напряжение (ток) минимума

Iпрмакс – предельный прямой ток

Uобрмакс – максимальное обратное U при предельном обратном токе

(Еф – фотоЭДС, Upn – барьерная разность при Ф = 0)

Схемы включения

Rн

При Ф = 0 Iф = I0

Iф (Ф)

Е1

Е2

Ф

С внешней ЭДС

Е1> Е2

Спектральная характеристика

S(λ)

λ

λмин

λмакс

S(λ) – чувствительность

λмин – 300 нм

λмакс – 750 нм

Параметры

1. Ф – сила светового потока
2. Цвет – (частота излучения)
3. Uпр – напряжение отпирания перехода

Расчет цепей с диодами

1. Расчет по постоянному току

а)

+

vd

P=E·IA≤Pмакс

UD=E ID=IA

rпр=E/IA – прямое сопротивление
rд=φτ/IA – дифференциальное сопротивление

По т. А определяют UD, ID, rпр, rд, Pст

2. Расчет по переменному току

а) решение для малого сигнала (E>>Um)

UC = Um Sin ωt

E + Um Sin ωt = UR + UD = ID·R + UD

ID = f (UD)

UmD = UA’ – UA = UA – UA”

ImD = IA’ – IA = IA – IA”

б) решение для большого сигнала (E<

UC = Um Sin ωt

IA >> IB

Режимы БТ

1. Активный – ЭП открыт, КП закрыт

2. Отсечка – ЭП, КП закрыты

3. Насыщения – ЭП, КП открыты

4. Инверсный – ЭП закрыт, КП открыт

Процессы в БТ в активном режиме

nnэ >> PPБ ; nnк >> PPБ

Через ЭП - инжекция

В базе диффузия и дрейф

Через КП – электрическое поле

α ≠ 1 за счет рекомбинации

∆IЭ ≈ ∆IК; ∆Pвх = ∆IЭ· ∆UЭБ = ∆IЭ2 · rЭд

∆Pвых = ∆IК· ∆UН= ∆IК2 · Rн

Если RН > rЭд, то Kp > 1

Схема включения БТ

1. Схема с ОБ

KP > 1; Ku > 1 (∆Uвых > ∆UЭБ)

KI < 1 (∆IK < ∆IЭ)

Iвх = IЭ; Iвых = IК;

2. Схема с ОЭ

KP > 1; KU > 1; KI > 1

Uвх = UБЭ; Uвых = Uн

Iвх = IБ; Iвых = IК

3. Схема с ОК

KP > 1; KU < 1; KI > 1

Uвх = UБЭ; Uвых = Uн

Iвх = IБ; Iвых = IЭ

Uвх = UЭБ; Uвых = Uн

Для симметричных αN = αI

Для реальных БТ αN >> αI

IЭ = I1 – αI I2

IК = αNI1 – I2

IБ = IЭ – IК

Если ЭП замкнут накоротко, то IЭ = 0 и I1 – αI I2 = 0; I1 = αI I2

При условии, что |UКБ| >> φT I2 = –IK’; IK = αN I1 – I2 = αN αI I2 – I2 = –αN αI IK’ + IK’ = IK0

Подставляем в исходную систему

1. Выходные характеристики (IK = f (UКБ))

Второе уравнение делим на αN и вычитаем из первого

IК = αNIЭ –

IК0 (e – 1)

UКБ

φТ

IЭ – параметр

=

αI

αN

IK0

IЭ0

=

IK’

IЭ’

UКБ – параметр

Упрощение характеристик

Так как |UКБ| >> φT, то

IK ≈ αN IЭ + IК0

Также 1 – αN ≈ 0, т. к. αN → 1

Так как IК в реальных транзисторах зависит от UКБ, то используют следующую выходную характеристику

Рост IK с увеличением UKБ связан с эффектом Эрли

2. Выходные характеристики (IК = f (UКЭ))

IБ – параметр

IЭ = IБ + IК

IK = α IЭ + IК0 = α (IБ + IК) + IК0

IK = β IБ + (1 + β)IК0

При α = αN → 1; β → ∞

1) в (1 + β) раз более чувствительна к температуре

– с учетом эффекта Эрли

=

IБ

1 + β

d UКБ

d β

IЭ = IБ (1 + β)

2. Объемные сопротивления

rБ >> rК >> rЭ

3. Коэффициент обратной связи

КОС

≈ 10-3 ÷ 10-4

4. Емкость переходов СК, СЭ (СК >> СЭ)

Определяет динамические свойства транзистора

IK меняется по экспоненте

Быстродействие определяется постоянной времени транзистора

ƒα и ƒβ – граничная частота

ƒα >> ƒβ

5. Тепловые токи IЭ0, IК0 (IК0 >> IЭ0)

6. Предельно допустимые параметры UЭБдоп, UКБдоп, UКЭдоп, IКдоп , PКдоп

h12 =

ə U2

ə U1

– KOC при I1 = 0; (XX на входе)

h21 =

ə I1

ə I2

– коэффициент передачи тока при U2 = 0; (КЗ на входе)

h22 =

ə U2

ə I2

– выходная проводимость при I1 = 0; (XX на входе)

Связь физических и h – параметров

1. Входное сопротивление

h11К = h11Э

2. Коэффициент передачи тока

3. Выходная проводимость

∆IЭ ≈ ∆IК

∆UЭК =∆UКБ + ∆UБЭ

∆UКБ >> ∆UБЭ

p – канальный

Iз = f (Uзи)

Входная характеристика (n - канал)

Выходная характеристика (n - канал)

Iс = f (Uси), Uзи = const

1 – область линейного сопротивления

2 – область насыщения

3 – область пробоя перехода у стока

Стоко – затворная характеристика (n - канал)

Iс = f (Uзи)

Uзи

Iс

Iснач

– Uзиотс

|UЗИОТС| > |UЗИ| > 0

RСИ – дифференциальное сопротивление канала

RЗИ = RВХ – 107 ÷ 109 Ом

Uзи = const

Uпи = const

В скобках Uзи для МДП со встроенным каналом

Выходные характеристики по подложке (n - канал)

Iс = f (Uси)

Uзи = const

Uпи = const

Стоко – затворные характеристики

1, 2 – характеристики для МДП транзисторов с индуцированным n - каналом

3, 4 – характеристики для МДП транзисторов со встроенным n - каналом

III. ПТ с управляющим переходом металл – полупроводник

с

з

и

AM > AП/П

2 – после записи

Фототранзисторы

К

Схемы включения

Коэффициент усиления определяется как

IФ – ток коллектора обусловленный фотогенерацией

IФ – ток коллектора обусловленный инжекцией через эмиттерный переход

Тиристоры

– динисторы

– тринисторы

– симисторы

– фототиристоры

У

2 – 3 – режим прямой проводимости

0 – 4 – режим обратного отпирания

4 – 5 – режим пробоя (П1и П3)

Штриховая характеристика для тринистора с IY > 0

Усилители на транзисторах

Определение: устройство для увеличения мощности сигнала за счет энергии вспомогательного источника.

Классификация:

1. По усиливаемому параметру

2. По частотным свойствам

– УПТ

– УНЧ

– УВЧ

— АЧХ

– избирательные

3. По способу соединения с нагрузкой

– с последовательной нагрузкой

– с параллельной нагрузкой

3. Фазо-частотная характеристика

ФЧХ φ= F(ω)

φ – угол между UВЫХ и UВХ

φ

∆t

=

T

2π

=

Δtω

φ

4. Диапазон рабочих частот –

диапазон в котором коэффициент нормирован

5. Динамический диапазон

6. Искажения

а) нелинейные

б) частотные

в) фазовые

7. КПД

8. Входное и выходное сопротивление

Режимы усилительных каскадов

Режим А

Режим В

Режим АВ

Режим С

Режим D

Используется в маломощных каскадах

Используется в двухтактных каскадах

Модифицированный режим В

Система уравнений для входной цепи (UC = 0)

IK = f (UKЭ)

EK = (IK + IH)RK + UKЭ

Система уравнений для выходной цепи (IН = UКЭ/RН)

Графо - аналитический метод расчета статического режима

Задание рабочей точки транзистора (статического режима)

EK >> UБЭ

I1 = I2 + IБ

IБ = I1 – I2

EK >> UБЭ

vT

2. Выходное сопротивление:

3. Коэффициент усиления напряжения:

XC1 = XC2 ≈ 0 ( на рабочих
частотах)

∆Uн = - ∆IK(RH || RK) ;

∆IK = β∆IБ

∆IK = - β ∆IБ (RH || RK)

∆UС = ∆IБ RВХЭ ;

∆UС ≈ ∆IБ h11Э ;

R1 R2 >> h11Э

RН >> RК

4. Коэффициент усиления тока:

5. Частотные свойства

ωН – определяется С1 и С2

ωВ – определяется быстродействием транзистора и эффектом Миллера

СКЭ = (1 + β)СК

СК – барьерная емкость КП

RЭ >> h11Б)

4. Коэффициент KI:

5. Частотные свойства

ωВБ >> ωВЭ т. к. отсутствует эффект Миллера

II. Схема с ОК (повторитель напряжения)

1. Входное сопротивление:

h11К=

rБ + (1+β) [rЭД + (RЭ||RН)]

2. Выходное сопротивление:

3. Коэффициент KU:

4. Коэффициент KI:

KIК =

IЭ

IБ

= 1+β

5. Частотные свойства такие же как и в схеме с ОЭ

IК2= IБ2 = β2 IБ2 = β2(1 + β1)IБ1

IК= IК1 + IК2 = β1 IБ1 + β2(1 + β1)IБ1

β ≈ β1β2

2. Динамическая нагрузка

RД = ctg α1= rКД

RД >> RСТ

Стабилизация рабочей точки

1. Стабилизация с помощью ОС

2. Параметрическая стабилизация

UБ = EK

R2

R1 + R2

UБ = IЭ RЭ

UБЭ = f(t°C)

UБЭ = UД

UЗИ = f (Ru)

2.

UЗ = EС

R2

R1 + R2

UН = IС RН

R2

UЗИ = f (R1,R2)

Ru – для стабилизации

IYC = IВХ – IOC

+

-

UОС = β IВЫХ

UY = UВХ – UOC

UВХ

K

β

IВХ

-

+

UОС

UY

2-3

IВЫХ

RН

IОС = β IВЫХ

IY = IВХ – IOC

Элементы теории ОС

Определение:

1. ПОС

UОС = α UВЫХ

1 < K < ∞

0 ≤ α ≤ 1

UY = UВХ + UOC

UВЫХ = k UY = k UВХ + kαUВЫХ

kα –

kα < 1

kα < 1

2. ООС

UОС = β UВЫХ

0 ≤ β ≤ 1

UY = UВХ - UOC

UВЫХ = k UY = k UВХ - kβUВЫХ

kβ –

kUOC < K

Виды ООС

1. Последовательная – на входе вычитаются U

2. Параллельная – на входе вычитаются I

3. По напряжению– сигнал ОС формируется из UВЫХ

4. По току– сигнал ОС формируется из IВЫХ

UOC = βUВЫХ

UВЫХ = k UY

UВХ = UY + kβUY = UY(1 + kβ)

UY = IВХ RВХY

UВХ = RВХY IВХ(1 + kβ)

RВХОС = RВХY (1 + kβ)

2. Параллельная ОС по U

RВХОС =

UВХ

IВХ

IOC = βUВЫХ

UВЫХ = k UY

=

UВХ

IY + IOC

Выходное сопротивление усилителя с ООС

1. ОС по напряжение

RВЫХ =

UХХ

IКЗ

При КЗ сигнал ОС = 0. Тогда

2. ОС по току

В режиме ХХ IВЫХ = 0, сигнал ОС = 0 и UХХ = k UВХ

В режиме КЗ IВЫХ = IКЗ, UОС = βIКЗ

IКЗ =

UВЫХY

RВЫХY + RВХβ

UВЫХY = IКЗ(RВЫХY + RВХβ) (1)

UВЫХY = k UY=k (UВХ – UOC)=k UВХ – kβIКЗ (2)

Приравняв (1) и (2) получим:

IКЗ =

K UВХ

(RВЫХY + RВХβ) + kβ

1

β

ωСРОС > ωСР

K0ωСР = KOCωСРOC

Пример 1.

UC = UБЭ + IЭRЭ

UБЭ = UY

β = 1

UOC = UВЫХ

Пример 2.

IБ = IС + IОС

IС

→IБ

→(IК= βIБ)

→UK

→IОС

→IБ

→

Пример 3.

IК, UКЭ , PК – близки к идеальным

Недостатки:

а. низкий КПД (< 10%)

б. через Rн протекает постоянная составляющая

Улучшает характеристики за счет емкостных или трансформаторных связей.

В каскадах с трансформаторными связями КПД достигает 50% за счет согласования RН и RВЫХ каскада.

2. Каскад в режиме B

Двухтактные каскады. Схемы включения.

КПД ≈ 70%

Недостаток: искажения при малых уровнях UC

Т. к. RВЫХ этих каскадов мало, то они снабжаются схемами защиты от КЗ по выходу

Источники питания измерительной техники

- назначение

- трансформаторные

- безтрансформаторные

- Без преобразования f

- C преобразованием f

Трансформаторный без преобразования (классический)

Безтрансформаторный

РЭ – регулирующий элемент

СУ – схема управления

- однополупериодный

UОБР = Um

- двухполупериодный

t

t

U2

Uср. вып.

0

Um

UH

0

0

2Um

UОБР = 2Um

L

C

4. Стабилизаторы. Назначение. Характеристики

– относительный коэффициент стабилизации

КСТ =

∆Uвх/ Uвх

∆UСТ/ UСТ

– выходное сопротивление

RВЫХ =

UСТ

∆IН

∆IН – изменение тока в RН

– дрейф UСТ (температурный и временной)

– КПД

Θ =

PH

P0

PH – мощность в нагрузке

P0 – общая мощность потребляемая стабилизатором

E = URБ + UСТ

=U

∆U = UОП – UСТ

UYC = K (UОП – UСТ)

=U

+∆ Uст

=UR1

(UБЭ2= UR1 – UO11)

IБ2

IК2

UК2

IБ1

(-∆UСТ)

Транзисторный ключ на БТ

Такие ключи работают в режиме D. Основная схема – ОЭ.

ΙΙΙ По элементной базе
– диодные
– транзисторные
– тиристорные

ОАEК – область отсечки

ОВ – область насыщения

EК

RК

IK ≈ IK0 ; IБ ≈ - IК0 ; IЭ ≈ - IК0 ≈ 0

βI

βN

(βN >> βI)

Схема замещения

UКЭ = ЕК – IK0 RK ≈ EK

Если UБЭ = - (3÷5)φТ , то отсечка глубокая

Режим насыщения (т. B)

UБЭ > 0 , UБК > 0

IБ =

UC - UБЭ

RБ

≈

UC

RБ

, ( UC >> UБЭ)

IK =

EK - UKЭН

RК

≈

ЕК

RK

, ( EK >> UKЭН)

Между А и В активный режим , т.е. IK = βIБ

В т. В IKH = βIБH

При анализе переходных процессов считается, что транзистор управляется зарядом
неосновных носителей в базе, а экспоненциальные процессы протекают с постоянной
времени τβ (схема с ОЭ)

UКЭ

tпод = t1 – t0 Определяется IБ, и быстродействием транзистора

tФ = t2 – t1; Q(t) = IБ, τβ(1-е-t/τβ)

tФ = τβ ln

Q(∞) - Q(t1)

Q(∞) - Q(t2)

Q(∞) = IБ, τβ; Q(t1) = 0; Q(t2) = Qгр = IБн τβ

tФ = τβ ln

IБ1

IБ1 - IБн

= τβ ln

S

S - 1

; (S= )

IБ

IБн

Q’(∞) = - IБ2 τβ; - предельный заряд в базе под действием тока IБ2

Схема ключа

Cд

Rб

Uвх

Rк

+Eк

Uвых

VT

t

Iбн

tФ

Iб

Iб2

Iбн = UВХ / Rб

Iбн = Iк/β (для точки B)

54

tсп

Когда Uдк >0 диод открыт к Iб = IRб – ID. Т.е. при возрастании IRб растет ID, а Iб остается постоянным и равна Iбн.
Т.к. диод не идеальный, то он открывается при Uбк > 0, что приводит к избыточному заряду в базе. Для его устранения вводится резистор r.
Uк = Ua - Ud; Uб =Uа - Ur; Ur = Iбн *r;

Uбк =Uб –Uк=UD – Uz=0; UD = Iбн*r
Iбн = Iкн /β≈Eк /βRк

r

Uвх

Rк

+Eк

Uвых

VT

Iбн

Rб

Uк

a

Uб

IRб

ID
r=UD /Iбн

54

Ключи на ПТ

1. Ключ с резисторной нагрузкой

Rс

Uвых

VT

Uс

0

A

Ir

Uc

UЗИпор

UЗИ

0

Uост

Eс

UСН

RС1

RС2

RС2 > RС1

A

Eс/Rс

UС

UС > UЗИпор

54

3. Комплементарный ключ

+Eс

Uвых

VT2

VT1

Uс

Uс

Uс=0; UЗИ1=0 UЗИ2=-EС > UЗИпор2 , Т1- закрыт
Т2 – открыт, Uвых = EС
2) Uс > UЗИпор1 - Т1 – открыт. Если Uс > Eс –| UЗИпор2 |, то Т2 – закрыт.

UЗИ

UЗИпор1

UЗИпор2

0

VT1

Iс

54

Uзи отс

0

А

Ic

Ic нач

2. Ключ с плавающим затвором.

Uc

Uу

VD

R

54