Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

Пример. Идеальный МДП-конденсатор сформирован на основе кремниевой подложки р-типа с концентрацией NA = 1015 см-3. Диэлектрический слой имеет толщину 100 нм. Разность работ выхода электрона из металла и полупроводника составляет qjМП = - 0,9 эВ. Плотность заряда на границе раздела Qss = 8×10-8 Кл/см-2. Вычислите максимальную толщину обедненной области Wmax , емкость диэлектрического слоя, заряд в обедненной области (Qs), пороговое напряжение и минимальную емкость МДП-конденсатора, а также его пороговое напряжение с учетом влияния напряжения плоских зон.

Решение

Для расчета максимальной толщины обедненной области Wmax вычислим сначала величину объемного потенциала:

jоб=jTln(NA/ni)=0,026ln(1015/1,5×1010)=0,29 B.

Тогда

 мкм,

а емкость диэлектрического слоя

Cd=e0ed/d=8,85×10-14×4/10-5=3,45×10-8 Ф/см2.

Заряд в обеденной области рассчитаем следующим образом:

QB=Qs =-qNAWmax=-1,6×10-19×1015×0,87×10-4=1,39×10-8 Кл/см2,

тогда пороговое напряжение

Uпор=2jb-Qs/Cd =2×0,29+1,39×10-8/3,45×10-8=0,98 B.

Емкость обеденного слоя полупроводника

С=Сп =e0es/Wmax=8,85×10-14×12/0,87×10-4=1,2×10-8 Ф/см2,

а общая емкость МДП-структуры при наличии обедненного слоя

 Ф/см2.

Пороговое напряжение с учетом влияние напряжения плоских зон

U/пор =jМП+2jобр-(Qss +Qs)/Cd=-0,9+0,576 -

-(5×1011×1,6×10-19 -1,39×10-8)/3,45×10-8 = -2,24 B.

ПРИЛОЖЕНИЯ

П 1. СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ НЕКОТОРЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ ЕДИНИЦАМИ. МНОЖИТЕЛИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ДОЛЬНЫХ И КРАТНЫХ ЕДИНИЦ

1 ампер (А) =1 Кл/с

1 ангстрем = 10-10 м = 10-4 мкм

1 атмосфера (ат) = 760 мм рт. ст. = 101 325 Па

1 кулон (Кл) =1 А×с

1 электрон-вольт (эВ) = 1,60×10-19 Дж

1 фарад (Ф) = 1 Кл/В

1 калория (кал) = 4,1868 Дж

1 генри (Гн) = 1 В×с/А

1 джоуль (Дж) =107 эрг = 1 Вт×с = 6,25×1018 эВ=1Н×м=1Кл×В

1 микрометр (мкм) = 10-6 м

1 ньютон (Н) = 1 кг×м/с2

1 сименс (См) = 1 Ом-1

1 тесла (Тл) = 1 Вб/м2

1 вольт (В) = 1 Вт/А

1 ватт (Вт) = 1 Дж/с

1 вебер (Вб) = 1 В×с

гига (Г) = ´ 109

мега (М)= ´ 106

кило (к) = ´ 103

микро (мк) = ´ 10-6

нано (н) = ´ 10-9

пико (п) = ´ 10-12

 

Логарифмический масштаб

Построение графиков и пользование ими становится затруднительными, если величины, откладываемые вдоль координатных осей, изменяются очень в больших пределах. В этом случае используется логарифмический масштаб, позволяющий значительно расширить пределы изменения функций наносимых на график, без увеличения размеров чертежа. Для этого вдоль координатных осей откладывается вместо значений функций десятичные логарифмы этих значений, а полученным точкам присваиваются названия откладываемых значений. В результате применения логарифмического масштаба по одной из координатных осей кривизна графиков уменьшается, а зависимости, близкие к показательной функции, приближаются к прямым линиям.

Практическое построение координатной сетки логарифмического масштаба (рис. 5) осуществляется следующим образом. Одну или обе координатные оси разбивают на равные отрезки, каждый из которых соответствует увеличению в 10 раз. После этого каждый отрезок делят на девять неравных частей, откладывая от левого (или нижнего) конца отрезка 0,3; 0,47; 0,6; 0,7; 0,78; 0,85; 0,9 и 0,95 его длины.

Полученным точкам деления присваивают названия десятых долей отрезка.

Если по одной оси координат принят логарифмический масштаб, а по другой – обычный (линейный), то такую координатную сетку называют полулогарифмической (рис. 6).

Рис. 5

 

Рис. 6

 

В качестве примера использования логарифмического масштаба см. графики зависимостей ρ(N), приведенные в прил. 5.

П 5. графики Зависимостей удельного сопротивления от концентрации примесей для Si и Ge при 300 К

П 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ВЫСОТЫ БАРЬЕРА ШОТТКИ φb, эВ ПРИ 300 К

П 7. графики зависимости разности работ выхода φms от уровня легирования кремниевой подложки для МДП-структур

с затворными электродами из Al, Au и поликремния n+ и p+-типа

П 8. Неперы и децибелы

В различных приложениях электроники часто приходится иметь дело с относительными величинами (коэффициент усиления или ослабления, превышение сигнала над помехой, уровни передачи, отсчитываемые от некоторого исходного уровня и т.д.). На практике оказалось удобным вместо отношений мощностей, напряжений и токов оперировать с логарифмами этих отношений.

Если используются натуральные логарифмы, то отношения напряжений и токов выражают в неперах по формулам

 

а отношение мощностей – по формуле

Эти числа называют относительными уровнями в неперах по напряжению (), по току () и по мощности (). Зная величины  в начале цепи (исходные уровни) и относительные уровни в какой-либо точки цепи, легко определить для этой точки:

;  и .

При использовании десятичных логарифмов отношения мощностей выражают в белах:

но чаще используют в 10 раз меньшую единицу, называемую децибелом (дб).

Для напряжения и тока при этом получается:

 

Для расчета напряжений, токов или мощностей в какой-либо точки цепи по известным их значениям в начале цепи (исходные уровни ) и известным относительным уровням в децибелах следует пользоваться формулами:

; ; .

Непер и децибел следующим образом связаны друг с другом:

1 неп=8,686 дб;

1 дб=0,115 неп.

Понятие о классах усиления усилительных каскадов

В зависимости от значения и знака напряжения смещения и напряжения сигнала в схеме транзисторного каскада с общим эмиттером возможно несколько принципиально различных режимов его работы, называемых классами усиления. Для обозначения различных классов усиления используются прописные латинские буквы. Рассмотрим их подробнее.

Класс усиления А. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения входного напряжения, называется режимом усиления класса А. Характерной чертой этого класса является выполнение условия D< (Iк см), для обеспечения которого ток смещения Iсм в схеме должен быть положительным и превышать максимальную величину Iвх.

Максимальная амплитуда выходного напряжения в данном режиме может достигать значения, близкого к Uпит/2. Для этого необходимо, чтобы Uк см=Uпит/2 или Iк см= Uпит/2Rк. Таким образом, класс усиления А имеет место при выборе рабочей точки по постоянному току в средней части нагрузочной характеристики.

Минимальные искажения входного сигнала при его усилении является характерной чертой усилителей класса А. При этом форма выходного напряжения  повторяет форму входного сигнала, транзистор работает в усилительном режиме без захода в области насыщения и отсечки. В то же время работа усилителя в классе А характеризуется низким к.п.д., который не может превышать 0,5, что объясняется протеканием постоянного тока (Iк см) в цепи коллектора вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала. Действительно, мощность, которая рассеивается в транзисторе Рк= (Iк см)*(Uпит/2), максимальная мощность в нагрузке Рнагр=Рк, тогда h= Рнагр/(Рнагр+Рк)=0,5. Поэтому режим усиления класса А используется в сравнительно маломощных каскадах, в которых важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а значение к.п.д. не играет решающей роли.

Класс усиления В. Это режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения входного сигнала. Данный режим соответствует Iсм=0, Uк см=Uпит. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе при отсутствии входного сигнала, близка к нулю, т.к. транзистор находится в режиме отсечки. Это способствует существенному повышению к.п.д. транзисторного каскада, по сравнению с режимом класса А. Поэтому класс В предпочтительнее для использования в усилителях средней и большой мощности. В этом режиме значение к.п.д. можно довести до 0,7 и более при мощности, рассеиваемой на транзисторе, менее 0,25 от максимума полезной мощности в нагрузке. Вместе с тем, в классе В усиливается лишь одна положительная полуволна входного сигнала, поэтому выходной коллекторный ток имеет прерывистый характер.

Для усиления как положительной, так и отрицательной полуволны входного сигнала применяют двухтактные усилители, работающие в классе усиления В. Примером такого усилителя является реверсивный эмиттерный повторитель, рассмотренный ранее. Основным недостатком усилителей, работающих в классе В, являются значительные нелинейные искажения выходного напряжения. Причиной этого является существенная нелинейность начального участка входной характеристики транзистора, из-за которой коэффициент пропорциональности между входным и выходным напряжениями не будет оставаться постоянным. Большие искажения усиленного сигнала являются причиной того, что класс усиления В в чистом виде практически не используется в усилителях.

Класс усиления АВ. Недостаток усилителей класса В отсутствует в усилителях, работающих в классе АВ. Класс усиления АВ – это режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения входного сигнала.

В режиме класса В на вход усилительного каскада подается небольшое смещение, которое выводит рабочую точку по постоянному току на линейный участок входной характеристики транзистора. Практически достаточно обеспечить величину смещения, немного превышающую значение Uбэ пор=0,6…0,7В.

Режим усиления класса АВ нашел широкое применение при построении выходных каскадов усилителей мощности, т.к. при высоком к.п.д. они обеспечивают получение небольших искажений выходного сигнала. Как следует модифицировать схему реверсивного эмиттерного повторителя с режимом класса В для работы в классе АВ. Вместо того, чтобы непосредственно соединять базы транзисторов, их разделяют парой диодов VD1 и VD2, смещенных c помощью резисторов R1 и R2 в прямом направлении. Диоды обеспечивают необходимое смещение для транзисторов VT1 и VT2. С помощью эмиттерных резисторов R3 и R4 создается обратная связь по току, улучшающая стабильность задания рабочей точки по постоянному току.


На главную