Материал: Методические указания по самостоятельной работе по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники». Турецкий А.В., Ципина Н.В

По виду обрабатываемых сигналов микросхемы делятся на аналоговые, цифровые и аналогово-цифровые.

Совершенствование технологий создания микросхем идет по пути увеличения числа активных элементов на кристалле, при этом одновременно уменьшаются и размеры самих элементов. Одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все параметры интегральной технологии, главные из которых — скорость, производительность и энергопотребление. Более подробно выше приведенные вопросы можно изучить, проработав [1-3].

Вопросы для самопроверки к теме 1

1.В чем состоит цель и задачи изучения курса?

2.Проведите классификацию ИС по степени интеграции, характеру обрабатываемых сигналов и технологии изготовления.

3.Каковы современные технологические возможности изготовления ИС?

4.Как называется эмпирический закон, определяющий темпы развития интегральных устройств?

Методические указания к теме 2

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Биполярный транзистор является активным прибором полупроводниковой электроники, так как он позволяет осуществлять усиление мощности.

Входной вольт-амперной характеристикой транзистора называют зависимость входного тока от входного напряжения.

9

И соответственно для выходной характеристики наоборот: зависимость выходного напряжения от выходного тока.

Биполярный транзистор имеет три схемы подключения, в зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей: схема с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Транзистор структуры IGBTбиполярный транзистор с изолированным затвором - гибрид двух технологий. Отличительной особенностью его является то, что он управляется напряжением (полем), а не током, как биполярный транзистор. У этого транзистора мощность управляющего сигнала минимальна. Транзистор IGBT изготовлен так, что может пропускать через свою структуру ток величиной в сотни ампер. И главное его отличие от тиристора - он "закрывается", то есть перестает проводить электрический ток, когда исчезает управляющий сигнал. В открытом состоянии он обладает сравнительно небольшим сопротивлением, поэтому может управлять мощностью в сотни киловатт.

Основное применение IGBT — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Математической моделью полупроводникового прибора называют совокупность уравнений, описывающие физические процессы в этом приборе.

Для анализа работы транзистора в схемах в 1954 г учеными Дж.Д.Эберсом и Дж.Л.Моллом предложены простые и удобные модели транзистора, различные варианты которой широко используются на практике. В эти модели входят управляемые источники тока, управляемые токами, учитывающие связь между взаимодействующими p - n -переходами в биполярном транзисторе. Эти модели справедливы для всех режимов работы транзистора.

Модель основывается на известных уравнениях для токов через переходы в нормальном активном и инверсном активном режимах работы биполярного транзистора:

10

где - токи коллектора и эмиттера при нормальном включении БТ (прямое включение эмиттерного перехода,

обратное - коллекторного); - токи эмиттера и коллектора в инверсном включении БПТ (прямое включение коллек-

торного перехода, обратное – эмиттерного); - коэффициенты передачи тока эмиттера и коллектора при нормальном и инверсных включениях; - начальные токи коллекто-

ра (при = 0) и эмиттера (при = 0).

Для определения параметров модели используют графоаналитический метод или вычислительный метод на ЭВМ.

При графоаналитическом методе соединяют базу транзистора с коллектором и подают прямое напряжение между базой и эмиттером. В результате получают ВАХ диодного включения транзистора. По этой характеристике получают часть параметров, в частности: IЭ0. Аналогичным образом определяют остальные параметры.

При определении параметров с помощью ЭВМ составляется целевая функция, например в виде среднеквадратической погрешности вычисленного и измеренного значений. Далее находят минимум целевой функции при значении аргументов, которыми являются параметры модели. Более подробно выше приведенные вопросы можно изучить, проработав

[1,2,5].

Вопросы для самопроверки к теме 2

1.Как называются носители заряда, обусловливающие главный вклад в перенос заряда?

2.Как называется режим работы транзистора, при котором происходит усиление мощности?

11

3.При какой схеме включения биполярного транзистора не происходит усиления по току?

4.Какая схема включения биполярного транзистора дает максимальное усиление по мощности?

5.Каким коэффициентом характеризуется эффективность эмиттера?

6.Какая характерная особенность составного биполярного транзистора?

7.Как называется режим работы транзистора, когда коллектор осуществляет инжекцию, а эмиттер сбор носителей?

8.Каков уровень легирования примеси в базе биполярного транзистора по отношению к эмиттеру?

9.Почему биполярные транзисторы n-p-n типа имеют более высокие коэффициенты усиления, чем р-n-p ?

10.В чем заключается эффект Эрли?

11.Что называют математической моделью полупроводникового прибора?

12.Что замещают элементы в схеме замещения?.

13.Как называется параметр модели, характеризующий степень соответствия смоделированных характеристик реальным?

14.Как называется параметр модели, характеризующий затраты машинного времени на моделирование и времени на подготовку к моделированию?

15.Какие физические процессы не учитываются в модели Эберса-Молла?

16.Назовите программные продукты машинного анализа схем радиоэлектронных устройств.

Методические указания к теме 3

Различают следующие виды полевых транзисторов: транзисторы со структурой металлдиэлектрикполупроводник (МДП-транзисторы) и транзисторы с управляющим p-n переходом (ПТУП). Эти транзисторы имеют 3 основных элек-

12

трода: управляющий электрод – затвор З и выходные электроды - сток С и исток И.

МДП-транзисторы относятся к числу униполярных полупроводниковых приборов, работающих на основе эффекта поля. Они имеют две конструктивные разновидности: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

Различают семейство стоковых (зависимость тока стока от напряжения на стоке) и семейство стоко-затворных вольтамперных характеристик. Входная характеристика у полевых транзисторов не применяется.

Для МДП-транзистора используются следующие малосигнальные параметры:

крутизна S= dIC/dU3И |UCИ=const,

характеризует крутизну проходной ВАХ транзистора в точке покоя;

внутреннее (выходное) сопротивление

rC= dUCИ/dIC|IC=const,

характеризует наклон выходной ВАХ на пологом участ-

ке;

коэффициент усиления по напряжению

ku= dUCИ /dUЗИ |IC=const.

Инерционность МДП-транзистора по отношению к быстрым изменениям напряжения на затворе, приводящая к снижению его усилительных свойств, определяется двумя факторами: перезарядом емкости затвора Сз и перезарядом межэлектродных емкостей.

Переходная характеристика крутизны S(t) описывается экспоненциальной функцией, поскольку по определению крутизна есть изменение выходного тока Iс при заданном изменении входного напряжения Uзи

S(t) = S(l- e-t/ s),

где s= C3 rкан - постоянная времени крутизны.

13