Андреевская Т.М. Полный курс основы аналоговой схемотехники

Подождите немного. Документ загружается.

Введение.

1. Основы полупроводниковой электроники. Контактные явления.

1.1. Полупроводниковые материалы.

1.1.1. Чистые полупроводники

1.1.2. Полупроводники n- и p - типа

1.2. Электронно - дырочный переход.

1.2.1. Электронно - дырочный переход без внешнего воздействия

1.2.2. Электронно - дырочный переход при внешнем воздействии

1.2.3. Пробой p-n-перехода

1.2.4. Емкость p-n-перехода

2. Полупроводниковые диоды.

2.1. Характеристики и параметры диодов.

2.1.1. Общие сведения

2.1.2. Характеристики и параметры

2.2. Математические модели диода и их применение.

2.2.1. Идеальный диод

2.2.2. Кусочно - линейная модель диода

2.2.3. Полная схема замещения диода

2.2.4. Полиномиальная аппроксимация участка ВАХ диода

2.3. Виды и система обозначений современных полупроводниковых диодов.

2.3.1. Виды и обозначение диодов

2.3.2. Система обозначений современных полупроводниковых диодов

2.4 Тиристоры

2.4.1Устройство тиристора

2.4.2 Вольт-амперная характеристика тиристора

2.4.3 Режимы работы тиристора

2.4.4 Принцип отпирания тиристора с помощью управляющего электрода

2.4.5 Отключение тиристора

2.4.6 Симистор

2.5 Схемы выпрямителей с активной нагрузкой

2.5.1 Однополупериодная схема выпрямителя

2.5.2 Двухполупериодные схемы выпрямителей

2.5.3 Трѐхфазные выпрямители

2.6 Выпрямители с активно-реактивной нагрузкой

2.6.1 Однополупериодный выпрямитель с ѐмкостной нагрузкой

2.6.2 Двухполупериодные схемы выпрямителей с активно-емкостной

2.6.3. Расчетные соотношения для выпрямителей с активно- емкостной нагрузкой

2.6.4 Выпрямители с умножением напряжения

2.7 Управляемые однофазные выпрямители

3. Биполярные транзисторы.

3.1. Устройство и основные процессы

3.1.1. Устройство биполярного транзистора

3.1.2. Режимы работы биполярного транзистора и основные физические процессы

3.2. Характеристики и параметры биполярного транзистора

3.2.1. Способы включения биполярного транзистора

3.2.2. Схема с общей базой

3.2.3. Схема с общим эмиттером

3.2.4. Схема с общим коллектором

3.2.5. Инверсное включение транзистора

3.3. Математические модели биполярного транзистора

3.3.1. Модели Эберса-Молла

3.3.2. Физическиие малосигнальные модели биполярных транзисторов

3.3.3. Малосигнальные модели биполярного транзистора в виде активного линейного

четырехполюсника

3.4. Система обозначений транзисторов

4. Полевые тразисторы.

4.1. Общие определения

4.2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

4.2.1. Принцип действия, обозначение

4.2.2. Вольтамперные характеристики

4.3. Полевой транзистор с изолированным затвором

4.3.1. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом

4.3.2. Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом

4.4. Параметры и модели полевых транзисторов

4.4.1. Параметры полевых транзисторов

4.4.2. Математические модели транзистора с общим истоком

5. УСИЛИТЕЛИ

5.1 Классификация и типы усилителей.

5.2 Основные характеристики усилителей.

5.3 Работа усилительного элемента в схеме

5.4 Статический режим работы транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

5.5 Расчет усилителя по постоянному току.

5.6 Динамический режим работы каскада с общим эмиттером

5.7 Расчет усилителя по переменному току.

1. Основы полупроводниковой электроники. Контактные явления.

ВВЕДЕНИЕ

Электроника

Предметом курса микросхематехника является теория и практика применения электронных,

полупроводниковых приборов в устройствах применяемых в различных отраслях народного хозяйства.

Гибкость, быстродействие и точность открывают большие возможности еѐ применения в науке и

технике.

Началом развития электронной техники принято считать со времени открытия Поповым А. С.

радио (7 мая 1895 г. доклад и демонстрация радиопередачи).

В развитии электроники можно выделить 4 основных этапа [1]:

– радиотелеграфный (1895–1925г.г.);

– радиотехнический (1925–1945г.г.);

– электроники (полупроводниковый) (1945–1965г.г.);

– микроэлектроники (1965г. по настоящее время).

Последние достижения в области микроэлектроники — создание интегральных микросхем от

малой до сверхбольшой степеней интеграции позволили получить базовые элементы с очень высокими

надежностными характеристиками, быстродействием, маленькой потребляемой мощностью, на основе

которых создаются современные микропроцессорные устройства и системы, а также современные

компьютеры и элементы измерительных, управляющих и вычислительных систем.

Под электронной системой понимают множество элементов электронной техники, находящихся

в определенной связи друг с другом и образующих определенную функциональную целостность.

Поведение каждого элемента описывается моделью выполняемых им функций (передаточная

характеристика или статическая функция преобразования), определяемых параметрами элемента.

Электронные сигналы

Электрические сигналы делятся на аналоговые (непрерывные) и дискретные (цифровые). В свою

очередь аналоговые сигналы делятся на постоянные и переменные.

Электронные устройства, оперирующие с аналоговыми сигналами, работают в линейном

режиме и составляют класс аналоговых устройств. Особенностью этих устройств является линейная

зависимость между входным и выходным сигналом. Например усилители (работают без насыщения и

отсечки выходного сигнала).

Электронные устройства, оперирующие с цифровыми сигналами работают в существенно

нелинейном режиме и составляют класс цифровых или импульсных устройств.

Физические процессы в p-n переходах

Основой современных электронных приборов являются приборы построенные с

использованием полупроводников.

Полупроводниками являются вещества, занимающие по величине удельной проводимости

промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества обладают как

свойствами проводника, так и свойствами диэлектрика. Вместе с тем они обладают рядом

специфических свойств, резко отличающих их от проводников и диэлектриков, основным из которых

является сильная зависимость удельной проводимости от воэдействия внешних факторов (температуры,

света, электрического поля и др.)

К полупроводникам относятся элементы четвертой группы периодической таблицы

Менделеева, а также химические соединения элементов третьей и пятой групп типа AIII BV (GaAs,

InSb) и второй и шестой групп типа AII B VI (CdS, BbS, CdFe). Ведущее место среди

полупроводниковых материалов, используемых в полупроводниковой электронике, занимают кремний,

германий и арсенид галлия GaAs.

1.1.1. Чистые полупроводники.

Полупроводниковые материалы занимают промежуточное место по электропроводности между

проводниками и изоляторами. Удельное сопротивление таких хороших проводников как серебро, медь,

железо составляет 10

-6

…10

-4

ом·см. Хорошие изоляторы: кварц, слюда, каучук, бумага — имеют

удельное сопротивление от 10

до 10

ом·см. Промежуток удельных сопротивлений 10

…10

-3

ом·см

занимают полупроводники.

Для изготовления современных полупроводниковых приборов и особенно интегральных микросхем

используются кристаллы чистых кремния и германия. Равномерная кристаллическая решетка в виде

тетраэдров этих материалов, атомы которых имеют четыре валентных электрона на внешней оболочке,

обеспечивают устойчивую структуру: соседние атомы кристалла попарно объединяются, так что

каждый атом представляет собой устойчивую структуру с восемью электронами на внешней оболочке, в

которую входят четыре соседних атома. На рис. 1.1. показана упрощенная плоская модель соединения

атомов в кристалле чистого (беспримесного) кремния, где каждая линия между атомами обозначает

ковалентную связь. Из-за неразличимости отдельных электронов любой валентный электрон

оказывается принадлежащим в одинаковой степени всем атомам кристалла.

Рис. 1.1

Такая структура при температуре абсолютного нуля представляет собой изолятор, так как свободных

электронов, обуславливающих электропроводность, в ней нет. Однако, при увеличении температуры

даже такие крепкие связи могут нарушиться, что приведет к появлению, с одной стороны, свободных

электронов, а с другой – к так называемым «дыркам» - местам в решетке, которые покинули электроны.

Свободный электрон может занять дырку (произойдет рекомбинация). Дырку может занять ближайший

связанный электрон, в результате чего уже на его бывшем месте образуется новая дырка. Всякий

переход электрона от одного атома к другому сопровождается одновременно встречным переходом

дырки. Если электрон имеет отрицательный заряд, то дырке условно приписывается положительный

заряд такой же величины, как заряд электрона. Дырка как бы перемещается (движется) по кристаллу,

также как электрон.

Процесс образования под влиянием температуры пары электрон-дырка называют термогенерацией.

Таким образом, в чистом полупроводнике одновременно хаотично блуждают электроны и дырки,

причем их число одинаково, а при увеличении температуры это число увеличивается. При

определенной температуре существует термодинамическое равновесие между генерацией и

рекомбинацией, в результате чего в полупроводнике устанавливается некоторая, вполне определенная

концентрация свободных носителей заряда. Среднее время существования пары электрон-дырка

называют временем жизни носителей заряда, а расстояние L , пройденное частицей за время ее жизни –

диффузионной длиной. Число свободных носителей заряда (электронов n

и дырок p

) в чистом

полупроводнике определяется соотношением

(1.1)

где - энергия активации, Т – абсолютная температура, k - постоянная Больцмана.

При отсутствии внешнего электрического поля носители заряда движутся в полупроводнике хаотично.

Это движение называют диффузией. Диффузионное движение зарядов обусловлено неравномерностью

концентрации зарядов и тепловой энергией.

Если теперь к кристаллу приложить внешнее напряжение, то может возникнуть небольшой ток,

обусловленный дрейфом электронов и дырок, причем скорости дрейфа электрона и дырки разные, они

зависят от их подвижности и напряженности электрического поля. В целом число свободных

электронов и дырок незначительно. Например, в кристалле германия при комнатной температуре есть

только 2 свободных электрона на 10

атомов, но в 1 грамме германия имеется 10

атомов. Таким

образом, в одном грамме содержится 2·10

свободных электронов, что и создает собственную

проводимость чистого полупроводника. Однако для создания тока в один ампер потребуется 6·10

электронов в секунду! Поэтому ток чистого полупроводника очень мал.

Термогенерация свободных носителей, их дрейф, диффузия и рекомбинация очень важны для

понимания процессов, происходящих в полупроводниках, но они не исчерпывают всего многообразия

происходящих в полупроводнике явлений. Многие вопросы количественного анализа работы

полупроводников базируются на зонной теории твердого тела

Параметры чистого полупроводника обозначаются обычно с индексом i от intrinsic – истинный.

Эти вопросы подробно рассматриваются в курсе «Физические основы микросхемотехники».

1.1.2. Полупроводники n — p типа

Чистые i - полупроводники практически не используют. В них специально вводят атомы других

элементов (примеси) трехвалентных (алюминий, галлий, индий, бор) или пятивалентных (мышьяк,

фосфор, сурьма) элементов или их соединений. При этом на 10

…10

атомов i - полупроводника

вводят один атом примеси. Атомы пятивалентной примеси называются донорами: они увеличивают

число свободных электронов. Каждый атом такой примеси добавляет один лишний электрон. При

этом лишних дырок не образуется. Примесный атом в структуре полупроводника превращается в

неподвижный положительно заряженный ион. Проводимость полупроводника теперь будет

определяться в основном числом свободных электронов примеси. В целом такой тип проводимости

называют проводимостью n–типа, а сам полупроводник – полупроводником n–типа.

При введении трехвалентной примеси одна из валентных связей полупроводника оказывается

незаполненной, что эквивалентно образованию дырки и неподвижного отрицательно заряженного

иона примеси. Таким образом, в этом случае увеличивается концентрация дырок. Примеси такого

типа называются акцепторами, а проводимость, обусловленная введением акцепторной примеси,

называют проводимостью р–типа. Полупроводник данного вида называют полупроводником р–типа.

Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике

n–типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р–

типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Как видим, в отличие от

проводимости проводников, в которых ток обусловлен направленным движением только электронов,

в полупроводниках ток может быть обусловлен двумя типами носителей – электронами и дырками.

1.2.1. Электронно - дырочный переход без

внешнего воздействия

В полупроводниковых приборах и микросхемах применяют кристаллы, в которых можно выделить

области собственного полупроводника (i -типа), области с донорными (n-типа) и акцепторными ( р -

типа) примесями, границы между полупроводниками с разными типами проводимости и с

различной концентрацией примеси, слои между полупроводником и металлом для организации

внешних выводов или других функциональных назначений.

Границу между двумя областями полупроводника с разными типами проводимости называют

электронно-дырочным переходом или p-n - переходом. Переходы между двумя областями

полупроводника одного и того же типа электропроводности, но с различными значениями удельной

электрической проводимости называют изотипными переходами. Различают изотипные электронно-

электронный (n-n+) и дырочно-дырочный (р-р+) переходы, причем знак «+» отмечает область с

более высокой концентрацей соответствующих носителей заряда, полученной за счет большей

концентрации примесей.

В зависимости от используемых в переходах материалов их разделяют на гомогенные и

гетерогенные. Гомогенным переходом называют переход, созданный в одном полупроводниковом

материале (только в германии, только в кремнии, только в арсениде галлия). Гетерогенный переход

создается на границе различных полупроводниковых материалов: германий-кремний, кремний-

арсенид галлия.

В зависимости от характера изменений концентрации примесей на границе различают ступенчатый

и плавный p-n -переходы; в ступенчатом переходе изменение концентрации имеет скачкообразный

характер. Здесь концентрация примесей на границе изменяется на расстоянии, соизмеримом с

диффузионной длиной L. В плавном переходе такие изменения происходят на расстоянии,

значительно превышающем L.

Особую роль играют переходы металл-полупроводник (МП), являющиеся неотъемлемой частью

каждого полупроводникового прибора. Различают невыпрямляющие (или омические) и

выпрямляющие переходы МП. Выпрямляющие переходы имеют характеристики, зависящие от

направления и величины приложенного к ним напряжения.

Любой электрический переход не может быть создан путѐм простого соприкосновения двух

полупроводниковых кристаллов. Для их изготовления используют специальные технологические

приемы. В настоящее время наиболее распространены сплавные и диффузионные переходы.

Для изготовления сплавного перехода на поверхности чистого полупроводника укрепляют

небольшую «таблетку» примеси и помещают в печь, где происходит ее нагрев до температуры ниже

точки плавления полупроводника, но выше точки плавления примеси. В результате происходит

вплавление в кристалл примеси и формирование p-n-перехода.

Для изготовления диффузионного p-n-перехода сначала полупроводниковую пластину с защитным

окисным слоем предварительно обрабатывают, создавая «окна» заданной конфигурации на ее

поверхности, а затем через них проводят диффузию примеси.

При создании технологического контакта материалов с разными типами проводимости в области

границы образуется небольшой слой, который и называется собственно p-n-переходом (рис.1.2)

Рис. 1.2

В этой области противоположно заряженные неподвижные ионы примесей создают отталкивающее

поле для основных носителей заряда, и последние уходят из зоны соприкосновения. При этом

движение основных носителей осуществляется за счет диффузии и рекомбинации с неосновными

носителями. Для неосновных носителей (дырок в полупроводнике n -типа и электронов в

полупроводнике р-типа) поле зарядов является ускоряющим, и они дрейфуют к «соседям».

В результате на границе образуется обедненный носителями обоих типов слой, он имеет большое

удельное сопротивление.

Двойной слой зарядов неподвижных ионов примесей в слое не компенсированы электронами и

дырками, что создает внутреннее электрическое поле с напряженностью Е . Это поле препятствует

переходу дырок из области р в область n и электронов из области n в область р . Но оно же создает

дрейфовый поток, перемещающий дырки из области n в область р и электроны из области р в

область n (дрейф неосновных носителей). Обедненный слой и есть p-n-переход.

В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному. При одинаковой концентрации

основных носителей заряда справа и слева от границы, p-n-переход симметричен. Если

концентрации не одинаковы, то говорят о несимметричном p-n-переходе. В этом случае слой с

большей концентрацией основных носителей (меньшим удельным сопротивлением или большей

проводимостью) называют эмиттером, а с меньшей концентрацией – базой. В базе ширина

обедненного слоя шире.

Поле Е оценивается потенциальным барьером для основных носителей, который препятствует их

диффузии в полупроводник другого типа. В электротехнике величину потенциала определяют как

работу на перемещение единичного положительного заряда. При этом график распределения

потенциалов вдоль перехода имеет вид, представленный на рис.1.3.

Рис. 1.3

При отсутствии внешнего поля величина потенциального барьера (или контактная разность

потенциалов) определяется соотношением

(1.2)

где е = 1,6·10

-19

кул – заряд электрона, k = 1,38·10

-23

- постоянная Больцмана, Т- абсолютная

температура, N

, N

– концентрация атомов акцепторов и доноров, n

, n

–концентрации дырок и

электронов в р и n-областях, - температурный потенциал. Для комнатной температуры

температурный потенциал составляет примерно 0,025 вольт. Ширину (или толщину)

несимметричного резкого p - n -перехода можно вычислить по формуле

(1.3)

Она составляет обычно единицы микрометров.

Как следует из формулы (1.3) для увеличения ширины p-n-перехода нужно использовать слабо

легированные полупроводники, а для создания узкого перехода – сильно легированные.

1.2.2. Электронно - дырочный переход при

внешнем воздействии

При подключении к p-n-переходу внешнего напряжения плюсом к полупроводнику р-типа (прямое

включение) потенциальный барьер для основных носителей уменьшается, через переход потечет ток,

увеличивающийся с увеличением внешнего напряжения. При изменении полярности внешнего

напряжения (обратное включение) потенциальный барьер увеличивается, весьма малый обратный

ток определяется дрейфом только неосновных носителей.

Зависимость тока через переход от приложенного к нему внешнего напряжения определяет так

называемую вольтамперную характеристику перехода (ВАХ). Для идеального p-n-перехода имеет

место следующая зависимость тока от напряжения

(1.4)

где I

- обратный ток насыщения неосновных носителей при обратном напряжении на переходе. При

u >> 0,025 В величина , поэтому в этом случае можно считать , а при u << -0,025 В,

, поэтому можно считать, что при больших обратных напряжениях обратный ток равен току

насыщения.

Рис. 1.4

На рис.1.4 пунктиром показана ВАХ идеального p - n -перехода в соответствии с выражением (1.4)

для тока насыщения, равного 5 мкА, сплошные кривые соответствуют реальным переходам с

кристаллом из германия ( Ge ) и кремния ( Si ). Для германия ток насыщения составляет примерно 10

мкА, а для кремния 10

-15

…10

-13

А. В выражение (1.4) для малых токов кремниевого перехода в

формулу (1.4) вводят коэффициент m =2…2,5:

Обычно графики для прямых и обратных токов представляются в разных масштабах как для токов,

так и для напряжений, поскольку прямые напряжения составляют доли вольта при токах несколько

миллиампер , а обратные напряжения – десятки вольт при токе доли и единицы микроампер.

В каждой точке нелинейной ВАХ можно найти производную, которая характеризует

дифференциальные проводимость или сопротивление, сильно отличающиеся на прямой и обратной

ветвях ВАХ.

На вид и положение ВАХ в значительной степени влияет температура p - n -перехода . Считается,

что ток насыщения I

изменяется примерно в два раза у германиевых переходов и в 2,5 раза у

кремниевых на каждые 10 градусов изменения температуры, при этом изменение падения

напряжения на переходе составляет –(2…2,5) mВ/

С. В интегральных схемах это изменение

достигает величины -1,5 mВ/

С.

Максимально допустимые температуры для германиевых переходов составляют 80…100

С, для

кремниевых переходов – 150…200

С .

1.2.3. Пробой p-n-перехода

Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим

обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5

Рис. 1.5

Началу пробоя соответствует точка А. После этой точки дифференциальное сопротивление перехода

стремится к нулю.