к контрольному заданию 1

ПРОГРАММА

 

1. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства. Краткий обзор основных электрофизических свойств полупроводников, металлов и диэлектриков. Собственные и примесные полупроводники. Элементы зонной теории полупроводников. Равновесная концентрация свободных носителей заряда. Диффузия и дрейф подвижных носителей. Электропроводность полупроводников, металлов и диэлектриков. Неравновесные носители. Генерация и рекомбинация носителей. Основные уравнения, определяющие поведение носителей электрических зарядов в полупроводниках (уравнение непрерывности, уравнение генерации-рекомбинации, уравнение заряда). Свойства поверхности полупроводников. Явления в сильных электрических полях (эффект поля). Особенности материалов, используемых в микроэлектронике. Понятие о технологических процессах выращивания кристаллических слоев, формирования диэлектрических слоев и металлизированных участков.

 

2. Полупроводниковые диоды. Основы теории. P-n-переход: высота и ширина потенциального барьера в равновесном состоянии, неравновесное состояние, механизм протекания тока, вольтамперная характеристика (ВАХ) идеализированного p -n-перехода, емкость перехода. ВАХ реального p-n-перехода, токи генерации-рекомбинации, сопротивление базы, пробой.

Модели полупроводникового диода и условия их применимости при анализе электрических цепей, содержащих диоды.

Переходные процессы в диодно-резистивной цепи при скачках токов и напряжений.

Выпрямляющий переход металл-полупроводник: физические процессы, ВАХ, особенности модели. Гетеропереходы.

Разновидности полупроводниковых диодов: выпрямительные, импульсные, p-i- n-диод, варикапы, стабилитроны, туннельные, обращенные, СВЧ-детекторные. Особенности конструкций, параметров, характеристик. Схемы применения. Влияние внешних условий на характеристики и параметры диодов.

 

3. Биполярные транзисторы. Структура и принцип действия биполярного транзистора (БТ). Режимы работы. Схемы включения. Физические параметры. Статические характеристики в схемах ОЭ и ОБ и их зависимость от температуры. Влияние сопротивления базы и ширины базы, зависящей от коллекторного напряжения, на форму статических характеристик БТ. Модель Эберса−Молла. Работа транзистора на высоких и сверхвысоких частотах. Малосигнальные высокочастотные линейные модели БТ в физических параметрах (П-образные и Т-образные) и в виде активных четырехполюсников. Их параметры и связь с данными, приводимыми в справочниках. Понятие о нелинейных моделях БТ для высоких и сверхвысоких частот.

 

Работа БТ в ключевом режиме. Переходные процессы. Импульсные параметры.

Конструктивно-технологические разновидности дискретных транзисторов.

 

4. Тиристоры. Устройство и принцип действия. Основные физические процессы. Режимы работы. Переходные процессы. Построение цепи управления тиристоров. Модели тиристоров и их параметры. Разновидности тиристоров.

 

5. Полевые транзисторы. Классификация полевых транзисторов (ПТ).

Устройство и принцип действия ПТ с управляющими p-n-переходом. Физические параметры (сопротивление канала, напряжение отсечки, крутизна) и их зависимость от температуры. ВАХ в схеме с общим истоком. Особенности ПТ с барьером Шотки.

Устройство и принцип действия МДП-транзисторов. Физические процессы в МДП-структурах и физические параметры МДП-транзисторов. ВАХ и их зависимость от температуры.

Работа полевых транзисторов на высоких и сверхвысоких частотах. Линейные и нелинейные модели полевых транзисторов. Определение параметров моделей по справочным данным.

Работа ПТ в ключевом режиме. Импульсные параметры. Комплементарные МДП-транзисторы в ключевом режиме.

Конструктивно-технологические разновидности ПТ.

 

6. Приборы с зарядовой связью. Структуры и принцип действия приборов с зарядовой связью (ПЗС). Параметры элементов ПЗС. Разновидности конструкций.

 

7. Базовые логические элементы цифровых БИС. Базовые ячейки (вентили) цифровых БИС на биполярных транзисторах и полевых транзисторах. Структуры, принципы действия, особенности топологии. Характеристики и параметры. Зависимость параметров от температуры.

 

8. Приборы вакуумной электроники. Электронные лампы. Принципы электростатического управления. Классификация и конструкция электронных ламп. Основные характеристики и параметры.

Электронно-лучевые трубки. Принцип функционирования, основные характеристики и параметры. Области использования.

 

ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

1. Изучение статических и динамических характеристик и параметров полупроводниковых диодов [8].

2. Статические характеристики биполярных транзисторов [8].

3. Статические характеристики полевых транзисторов [9].

 

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основной

1. Электронные приборы: Учеб. для вузов / В.Н. Дулин,
Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с.

2. Белов Г.А. Электроника и микроэлектроника: Учеб. пособие. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2001. 378 с.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов. М.: Сов. радио, 1980. 424 с.

4. Аваев Н.А. и др. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов / Н.А. Аваев, Ю.Е. Наумов, В.Т. Фролкин. М.: Радио и связь, 1991. 288с.

Дополнительный

5. Батушев В.А. Электронные приборы. М.: Высш. шк., 1980. 384 с.

6. Булычев А.Л. и др. Электронные приборы. М.: Лайт Лтд, 2000. 416 с.

7. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов. СПб.: Лань, 2001. 480 с.

8. Исследование полупроводниковых приборов: Метод. указания к лаб. работам. Чебоксары, 1985.

9. Исследование полевых транзисторов и интегральных логических элементов: Руководство к лаб. работам. Чебоксары, 1980.

10. Транзисторные ключи и генераторы пилообразного напряжения: Метод. указания к лаб. работам. Чебоксары, 1986.

11. Приборы вакуумной электроники: Метод. указания к лаб. работам / Сост. В.М. Быков, А.М. Иванов, В.И. Сеньков,
В.М. Яров. Чебоксары, 1992.

12. Характеристики и параметры интегральных схем логических элементов: Метод. указания к лаб. работам. Чебоксары, 1992.

Контрольное задание 1

Рис.1

Задача 1. Определить тип стабилитрона, который необходимо включить в схему (рис.1) для получения стабилизированного напряжения  на нагрузке. Рассчитать сопротивление ограничительного резистора , если известно питающее напряжение  и ток нагрузки , а также определить коэффициент стабилизации при заданных пределах изменения питающего напряжения . Значения , , ,  выбрать по номеру варианта следующим образом: , выражается в вольтах; ; ; . Здесь N – номер варианта.

Рис.2

Задача 2. Рассчитать промежуточный каскад усилителя с емкостной связью на электронной лампе (рис.2), нагруженный на аналогичный каскад. Заданные значения входного  напряжений, коэффициента усиления каскада , коэффициентов частотных искажений ,  на нижней  и верхней  граничных частотах выбираются в соответствии с номером варианта следующим образом: ; ; , выражается в герцах; ; . Требуется выбрать лампу и рабочую точку лампы ( , , ), определить напряжение источника питания  и рассчитать сопротивления резисторов и емкости конденсаторов.

Задача 3. По исходным данным выбрать биполярный транзистор, предназначенный для работы в ключевом режиме, определить напряжение смещения , обеспечивающего запирание транзисторного ключа, сопротивления , ,  (рис.3). Исходные данные: напряжение питания , входное  и выходное  напряжения, сопротивление резистора нагрузки , степень насыщения транзистора  выбираются в соответствии с номером варианта следующим образом: (напряжение выбирается из ряда: 3, 6, 9, 12, 15, 18, 20, 24, 27 В); , выражается в вольтах; ; ; .

Рис.3

Задача 4. Ответить на вопрос в соответствии с вариантом:

 

Вари- ант	Воп- рос	Вари- ант	Воп- рос	Вари- ант	Воп- рос	Вари- ант	Воп- рос
1	21	11	8	21	2	31	35
2	11	12	18	22	12	32	33
3	1	13	28	23	22	33	31
4	23	14	10	24	4	34	32
5	13	15	20	25	14	35	34
6	3	16	30	26	24
7	24	17	9	27	6
8	15	18	19	28	16
9	5	19	29	29	26
10	27	20	17	30	7

 

Вопросы

1. Каковы механизмы электронной и дырочной проводимости?

2. Каковы различия ВАХ идеализированного и реального p - n -переходов?

3. Дрейфовое и диффузионное движение носителей заряда, параметры, их характеризующие.

4. Электропроводность собственных и примесных полупроводников и ее зависимость от температуры.

5. Механизмы генерации-рекомбинации неосновных носителей. Уравнение генерации-рекомбинации и его решение при отсутствии внешнего воздействия.

6. Уравнение заряда и его решение.

7. Эффект поля.

8. Что такое p - n -переход? Технологические методы создания p - n -перехода.

9. Равновесное состояние p - n -перехода.

10. Уравнение Пуассона. Определение распределения потенциала, максимальной напряженности поля и толщины обедненного слоя p - n -перехода со ступенчатым распределением примесей.

11. Смещенный в прямом направлении p - n -переход: физические процессы, энергетическая диаграмма.

12. Смещенный в обратном направлении p - n -переход: физические процессы, энергетическая диаграмма.

13. Виды пробоя p - n -перехода и физические процессы, им сопутствующие.

14. Емкость p - n -перехода, ее связь с физическими параметрами p - n -перехода и приложенным напряжением.

15. Переходные процессы переключения p - n -перехода с прямого направления на обратное при низком уровне инжекции.

16. Переходные процессы включения и выключения p - n -перехода при высоком уровне инжекции.

17. Выпрямляющий контакт металл-полупроводник в неравновесном состоянии: физические процессы, энергетическая диаграмма. Отличие от p - n -перехода при том же смещении.

18. Гетеропереход и его отличие от гомоперехода.

19. Выпрямительные низко- и высокочастотные диоды: назначение, эквивалентные схемы, система параметров. Примеры диодов с реальными параметрами.

20. Импульсные диоды и варикапы: назначение, эквивалентные схемы, система параметров. Примеры диодов с реальными параметрами.

21. Физические процессы в биполярном транзисторе (БТ) при работе в активном режиме. Энергетические диаграммы в состоянии равновесия и активном режиме.

22. Режимы работы и схемы включения БТ. Уравнения, связывающие выходной ток с входным.

23. Эффект модуляции толщины базы (эффект Эрли).

24. Малосигнальная модель БТ с ОБ в физических параметрах. Оценка параметров модели.

25. Малосигнальная модель БТ с ОЭ в физических параметрах. Оценка параметров модели.

26. Объяснить входные и выходные характеристики БТ в схеме с ОБ.

27. Объяснить входные и выходные характеристики БТ в схеме с ОЭ.

28. Система h-параметров. Связь h-параметров с физическими параметрами БТ в схеме с ОБ.

29. Система h-параметров. Связь h-параметров с физическими параметрами БТ в схеме с ОЭ.

30. Система y-параметров. Связь y-параметров с физическими параметрами БТ в схеме с ОБ.

31. Система y-параметров. Связь y-параметров с физическими параметрами БТ в схеме с ОЭ.

32. Модель Эберса–Молла. Получить аналитическое описание выходных ВАХ в схемах с ОЭ и ОБ.

33. Модель Эберса–Молла. Получить аналитическое описание входных ВАХ в схемах с ОЭ и ОБ.

34. Работа БТ на высоких частотах.

35. Классификация БТ. Система справочных параметров. Показать эту систему на конкретном примере.

 

Методические указания

 

К задаче 1. Из любого справочника по диодам следует подобрать стабилитрон, обеспечивающий требуемое стабильное напряжение.

Задавшись номинальным током через стабилитрон , определяем сопротивление ограничительного резистора

,

где .

При изменении питающего напряжения  ток стабилитрона также будет меняться:

,

.

Если полученные значения токов стабилитрона не выходят за допустимые пределы, то, следовательно, ток стабилитрона при номинальном напряжении питания  выбран правильно. В противном случае следует изменить . Так, например, если > , то следует уменьшить номинальный ток стабилитрона и заново вычислить .

Коэффициент стабилизации вычисляется по выражению

,

где ;  - динамическое сопротивление стабилитрона (сопротивление переменному току).

 

К задаче 2. Выбор лампы в случае применения триода производится из того, что лампа должна иметь коэффициент усиления

,

где .

Проводят распределение коэффициента частотных искажений по цепям  и  так, чтобы .

Требуемое сопротивление анодной нагрузки  определяется по заданному  из формулы

,

где  - внутреннее сопротивление лампы;  - сопротивление утечки сетки лампы, выбирается в пределах 0,5…1 МОм.

Постоянная времени нижних частот  определяется из выражения

,

где .

Отсюда по известным ,  и  определяют емкость разделительного конденсатора .

Постоянная времени усилителя на верхних частотах t_в определяется из выражения

,

где ;  - входная емкость следующего каскада, ; - монтажная емкость, принимается равной 10...20 пФ. Полученное значение  не должно превышать . В противном случае (при > ) для уменьшения  усилителя следует уменьшить , увеличив число каскадов или выбрав лампу с большим .

Напряжение и ток покоя лампы  и , определяющие рабочую точку лампы усилителя, выбираются по анодным характеристикам лампы.

Далее задаются напряжением питания  каскада, обычно его выбирают равным 150...300 В.

Напряжение смещения на сетке лампы в рабочей точке должно выбираться из условия

.

На семействе анодных характеристик проводят нагрузочную прямую и находят точку покоя. Рабочая точка должна лежать на прямолинейном участке характеристики и ниже гиперболы .

Сопротивление резистора  определяется по значению :

.

Емкость конденсатора  рассчитывается по формуле

,

где ; - крутизна анодно-сеточной характеристики лампы.

 

К задаче 3. Напряжение смещения обычно выбирают из условия .

Сопротивление резистора определяют из условия

,

где - значение обратного тока транзистора при максимальной температуре; значение сопротивления резистора -

.

Требуемый ток базы для обеспечения заданной степени насыщения

,

где - минимальный коэффициент передачи тока базы транзистора. Далее определяется сопротивление резистора :

.

После расчета сопротивлений полученные значения необходимо округлить до ближайших стандартных для резисторов, которые даны в справочниках, и выбрать типы резисторов с указанием рассеиваемой мощности, предварительно ее рассчитав.

Список рекомендуемой литературы

к контрольному заданию 1

1. Булычев А.Л. и др. Справочник по электровакуумным приборам. Минск: Беларусь, 1982. 382 с.

2. Аксенов А.И., Нефедов А.В. Отечественные полупроводниковые приборы: Справ. пособие. Кн. 1. Сер. Ремонт. М.: СОЛОН-Р, 1999. Вып. 25. 496 с.

3. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справ. / Под ред. А.В. Голомедова. М.: КубК-а, 1994. 384 с.

4. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справ. / Под ред. А.В. Голомедова. М.: КубК-а, 1994. 528 с.

5. Резисторы: Справ. / Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. М.: Радио и связь, 1991. 528 с.

6. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высш. шк., 1982. 496 с.