Лекции по "Микроэлектронике"

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                                                                                                                 6

 

1 Краткое описание курса                                                                                     8

1.1 Изучаемые разделы                                                                                          8

1.2  Распределение  часов курса по разделам                                                       9

1.3 Содержание дисциплины                                                                               9

 

2    Лекционный курс                                                                                          15

2.1 Лекция 1                                                                                                          15

2.2  Лекция 2                                                                                                         19

2.3 Лекция 3                                                                                                          23

2.4  Лекция 4                                                                                                          31

2.5Лекция 5                                                                                                           35

2.6 Лекция 6                                                                                                          40

2.7  Лекция 7                                                                                                         44

2.8 Лекция 8                                                                                                          49

2.9  Лекция 9                                                                                                         52

2.10 Лекция 10                                                                                                      55

2.11  Лекция 11                                                                                                     58

2.12 Лекция 12                                                                                                      60

2.13 Лекция 13                                                                                                      64

2.14  Лекция 14                                                                                                     68

2.15  Лекция 15                                                                                                     74

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА                                                                 81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время  практически невозможно найти сферу  человеческой деятельности, особенно в системах управления, где бы не использовалась электроника. Первичная  информация о состоянии процесса  управления, представленная в форме электрических сигналов, вырабатываемая соответствующими датчиками подлежит усилению, фильтрации, преобразованию и т.д. Для питания электронных функциональных узлов необходимы высококачественные источники вторичного питания. В связи с тем, что сигналы, вырабатываемые датчиками, как правило, имеют низкий энергетический уровень и помехозащищенность, то возникает необходимость их предварительного усиления и фильтрации от помех. Одним из повсеместно используемых устройств является усилитель, причем, он может быть встроенным в другие электронные канала специального функционального назначения, а может быть автономным прибором. Усилитель – это электронное устройство, управляющее потоком энергии, поступающей от источника питания. Усилители по своему функциональному назначению и другим требованиям делятся на множество типов. По природе усиливаемого сигнала усилители подразделяются на: усилители постоянного тока, усилители переменного тока, усилители импульсных сигналов. По частоте усиливаемых сигналов они делятся на низкочастотные (УНЧ) от десятков герц (нижняя частота усиления- fн) до сотен килогерц (верхняя частота усиления – fв), широкополосные от сотен килогерц до десятков мегагерц, селективные усилители, усилители- формирователи и др.

К условиям применения УНЧ следует отнести диапазон изменений температур окружающей среды, в котором усилитель должен сохранять полную работоспособность, вид механических воздействий, требования к весовым и энергетическими показателями и т.д.. Так как, одно из основных требований к усилителю состоит в увеличении энергетических показателей усиливаемого сигнала, к которым относятся усиление по напряжению (току, мощности), без искажения формы сигнала, то появляется необходимость контроля степени искажения формы сигнала. Одним из источников больших нелинейных искажений на выходе усилителя является нелинейность вольтамперных характеристик транзистора.  Так как датчики имеют довольно широкий спектр технических параметров, например, величина выходного сопротивления, то возникает специальное требование к высокому входному сопротивлению усилительного каскада.

Усиления сигнала, в  зависимости от сформулированных требований,    осуществляется в несколько этапов: предварительное усиление (усилитель  малой мощности), промежуточное усиление (усилитель средней мощности) и конечное усиление мощности. Выбор электронных элементов при проектировании усилителя следует осуществлять таким образом, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости радио и электро - элементов.

Дисциплина «Основы  электроники»  изучается  на 2 курсе  студентами очной и заочной формы  обучения специальности  “050716 «Приборостроение»” и предполагает  знакомство студентов с основными типами современных элементов электронной техники, студенты изучают основные виды полупроводниковых приборов, их особенности, характеристики, схемы включения и процессами в электрических цепях электронных устройств. Кроме того, происходит знакомство с основными понятиями микроэлектроники, особенностью изготовления и параметрами пассивных и активных элементов интегральных микросхем. Изучаются также и базовые устройства аналоговой и  цифровой электроники. 

 

 

 

 

 

 

 

1 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ КУРСА

 

1. Изучаемые разделы

 

Данная дисциплина предусматривает  изучение следующих разделов:

1   Физические основы  полупроводниковых приборов

1.1 Электропроводность  полупроводников

1.2 Свойства  p-n  перехода

2    Полупроводниковые  приборы

2.1 Полупроводниковые диоды

2.2 Полупроводниковые  стабилитроны, варикапы, диоды Шоттки, туннельные диоды, динисторы,  тиристоры, оптроны.

2.3 Устройство и принцип  действия биполярного транзистора

2.4 Характеристики и  применение биполярного транзистора

2.5 Принцип действия и параметры полевых транзисторов

2.6 Полевые транзисторы  металл - окисел - полупроводник (МОП)

3    Электронные  усилители

3.1 Назначение и основные  параметры электронных усилителей

3.2 Режимы работы усилителей

3.3 Порядок проектирования  усилительных трактов

3.4 Усилительный каскад  по схеме с общим эмиттером

3.5 Усилительный каскад  с общим коллектором, дифференциальный  усилитель, усилители на полевых  транзисторах, схема Дарлингтона

3.6 Обратная связь в  усилителях, избирательные усилители

3.7 Каскады усиления мощности, многокаскадные  усилители

3.8 Частотные характеристики  усилителей

4 Вторичные источники  питания

4.1 Выпрямители

 

2 ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС

 

ЛЕКЦИЯ 1

 

      Электропроводность материалов.  Электропроводность – характеризует свойства материалов проводить электрический ток. Количественно она оценивается:

1. Удельной проводимостью вещества,
2. Концентрацией свободных носителей заряда (n).

В зависимости от способности  материалов проводить электрический ток они делятся на три вида:

• диэлектрики.(n≈10^-²) эл/см³
• полупроводники.10¹²<n<10¹⁶ эл/см³
• проводники(n≈10¹⁹эл/см³).

Диэлектрики - вещества, которые практически не проводят электрический ток. Проводники – вещества, хорошо проводящие электрический ток. Полупроводники – вещества, нечто среднее между проводниками и диэлектриками. Структура полупроводника напоминает кристаллическую решётку алмаза. Полупроводник имеет жёсткую структуру за счёт ковалентных связей между атомами. Важнейшим свойством полупроводников является сильная зависимость их проводимости от температуры окружающей среды, светового потока (Φ), примесей, ионизирующего облучения. Для создания полупроводниковых приборов используют следующие материалы:

1) 4-х валентная группа (Ge(гелий), Si(кремний), AsGa(арсенид галия)),

2) 3-х валентная группа (Al(алюминий),B(бор),In(индий)),

3) 5-ти валентная группа (P(фосфор), As(мышьяк), Sb(сурьма)).

Все полупроводники можно  разделить на две группы:

1) Чистые, (собственные,  беспримесные) или полупроводники i–типа. (Вещества, состоящие из атома одного элемента)

2) Примесные полупроводники.

Атомы полупроводников  располагаются в пространстве в  строго определенном порядке, образуя  кристаллическую решетку, которая  возникает за счет объединения с атомов электронами с соседним атомом (ковалентная связь), как это показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Плоская графическая модель 4-х валентного полупроводника [6]

 

В чистом полупроводнике, при температуре абсолютного нуля (Т=0 (по Кельвину)), все электроны уходят на образование ковалентной связи, свободных электронов нет, следовательно, полупроводник является диэлектриком. При повышении температуры электроны приобретают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают свои ковалентные связи, становясь свободными. В результате образуются два носителя свободного заряда: электрон (отрицательный заряд) и то место, которое он покинул – дырка (вакансия). Дырка имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона (см. рис 2).

Таким образом, при повышении  температуры, в полупроводнике появляются свободные носители зарядов, причем концентрация электронов в чистом полупроводнике равна концентрации дырок, т.е., n_i=p_i. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией электронно-дырочной пары. При движении электронов по объёму кристаллической решётки некоторые из них могут занимать место дырки. При этом электрон и дырка уничтожаются, что называется рекомбинацией электронно-дырочной пары.

Чистые полупроводники почти не используются, так как  их проводимость сильно зависит от температуры, что позволяет использовать это свойство при создании термодатчиков. Для создания управляемых полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием, а примесные полупроводники – легированными. В зависимости от характера введенной примеси можно получить два типа примесных полупроводников: электронного n-типа и дырочного p-типа.  

Полупроводник n-типа получают путём введения в 4-х валентный полупроводник атомов 5-ти валентной примеси. Каждый атом такой примеси создает один свободный электрон. Такая примесь называется донорная. В результате введения такой примеси полупроводник имеет следующий вид (см. рис.2). Здесь электроны – основные носители, а дырки – неосновные.

 

 

Рисунок 2 – Полупроводник  с электронной проводимостью [6]

 

Полупроводники p-типа получают путём введения в собственный, 4-х валентный полупроводник 3-х валентной примеси. Каждый атом такой примеси отбирает электрон от соседнего собственного атома, создавая дырки. Такая примесь называется акцепторная. Плоская модель кристаллической решетки акцепторной связи представлена на рисунке 3.

 

 

 

Рисунок 3- Плоская модель кристаллической решетки акцепторной  связи [6]

 

Для создания полупроводниковых  приборов используются в основном примесные  полупроводники, так как их проводимость определяется концентрацией примеси, а не температурой, освещенностью и прочими внешними факторами [3.4].

Токи в полупроводниках. Дрейф и диффузия. В полупроводнике возможны два механизма движения электрических зарядов:

1) Дрейф - движение носителей заряда под действием электрического поля (см. рис.4).

Рисунок 4 – Механизм дрейфа носителей заряда [6]

 

Ток, возникающий под  действием электрического поля –  дрейфовый.

2) Диффузия – движение  свободных носителей заряда под  действием сил, возникающих из-за их неравномерного распределения по объему материала. Процесс диффузии оценивается двумя основными параметрами: