Военная кафедра

электронных устройств
Учебные вопросы:
1. Устройство и конструкция электронных ламп.
2.

Назначение и характеристики биполярных транзисторов.
3. Назначение и характеристики полевых транзисторов.
4. Назначение интегральных схем.

предназначены для генерирования, усиления, преобразования и обработки различных электрических сигналов.

Простейшим представителем электровакуумных приборов (ЭВП) является диод. Чтобы обеспечить проводимость вакуума, созданного в баллоне электровакуумного диода, необходимо создать в нем присутствие носителей заряда. Обычно в баллоне ЭВП создается вакуум, разреженность составляет меньше 10-6 Па (100Па=1 мм рт. ст.).

Если в стеклянном сосуде с вакуумом не будет свободных носителей, то ток будет отсутствовать. Электрический ток в вакууме создается путем введения в вакуум электронов. Источником электронов может быть один из электродов ЭВП.
Эмиссия электронов (выход) из катода может быть 4 видов: а) холодная б) вторичная в) фотоэлектронная г)термоэлектронная

является катод (источник электронов) и анод. Если между катодом и

анодом электрическое поле отсутствует, то в близи катода электронное облако имеет постоянные размеры, а между электронами, вылетевшими из катода и вернувшимися в катод, сохраняется динамическое равновесие.
Зависимость числа электронов (величины тока, который может протекать в диоде) от температуры показана на рис.1.1, где видно, что с увеличением температуры катода ток через диод увеличивается:
Iэ=а*Т2*е –w

где а – постоянная материала, зависящая от поверхности катода (металла);
W0 – работа выхода электрона из металла;
К – постояная Больцмана.

Рис. 1.1- Зависимость удельного
тока эмиссии Iэ от температуры Т.
.

катодов (с внешним накаливанием и непосредственным разогревом, лампы с холодным

катодом);
б) по количеству имеющихся электродов (диод – 2 электрода; триод – 3 электрода: катод, сетка, анод; тетрод – первая сетка управляющая, вторая сетка экранирующая, катод, анод; пентод – катод, первая сетка управляющая, вторая сетка экранирующая, третья – антидинатронная, анод).
Основное назначение диода – выпрямление гармонических колебаний (тока) и использование их в качестве нелинейных элементов.
Триоды, тетроды, пентоды имеют способность усиливать радиосигналы при подаче на их вход (первую сетку) слабых сигналов. Усилительные свойства ЭВП аналогичны усилительным свойствам транзисторов.

6.3В и др.
г) по габаритам: пальчиковые, миниатюрные, октальные и др.
д)

по материалу баллона (стеклянные, металлические, металлокерамические и др.);
е) по наполнению баллона.

Коллектор (анод)

Эмиттер(катод)

Рис.1.4- Обозначение транзистора

электронных ламп
Электронные лампы имеют следующие основные свойства:
а) односторонняя

проводимость, т.е. через лампу протекает ток в одном направлении от анода к катоду;
б) возможно управление электронным потоком, т.е. величиной тока;
в) мощности для управления лампой необходимо меньше, чем мощности, выделяемой в нагрузке.
Электроды лампы подсоединяются к штырькам, которые номеруются по часовой стрелке от начала ключа, если наблюдать лампу со стороны цоколя.
Особенности характеристик и параметров ламп
Основной характеристикой ламп является вольтамперная характеристика (ВАХ). Это зависимость тока от приложенного напряжения. ВАХ диода (анодная характеристика) на рис.1.5.

при различных значениях напряжения накала (температуры катода)
Рис.1.7- Условное обозначение

триода

Транзисторы подразделяются на две большие группы: биполярные и полевые.

Различие протекающих в них физических процессов состоит в следующем.
В биполярных транзисторах происходит перенос как основных носителей заряда в полупроводнике, так и неосновных; в полевых — только основных.
Управление током в биполярных транзисторах осуществляется за счет заряда неосновных носителей, накапливаемых в базовой области, в полевых — за счет действия электрического поля на поток носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале, причем поле направлено перпендикулярно этому потоку.

Биполярные транзисторы
 

Биполярные транзисторы делятся на две большие группы: типа п-р-п и р-п-р.
Под n понимается электронная проводимость материала, под р — дырочная. Мощные биполярные транзисторы ВЧ и СВЧ диапазона являются, как правило, типа п-р-п. В основе работы биполярного транзистора типа п-р-п лежат три явления: инжекция электронов из эмиттера в область базы, их накопление в базовой области (по отношению к проводимости типа р электроны становятся неосновными носителями заряда) и перенос электронов под действием внешнего электрического поля из базы к коллектору (рис. 1.8, а). Здесь имеют место два ограничения, не позволяющие увеличивать мощность прибора при одновременном повышении частоты сигнала. Первое ограничение связано с предельной скоростью движения электронов в полупроводнике. Так, для кремния эта скорость, зависящая от напряженности электрического поля, не превышает VНАС=107см/с (рис. 7.1, 6). Второе ограничение связано с предельным значением напряженности электрического поля ЕПР, при превышении которого наступает электрический пробой. У кремния ЕПР = 2 105 В/с.

со временем переноса носителей заряда τТ через базовую область толщиной

W (см. рис. 7.1, а):

где — время переноса носителей через базу.

технологии при создании СВЧ транзисторов удалось приблизиться к теоретическому пределу,

определяемому соотношением (7.3). В качестве примера укажем, что в транзисторе с fГР = 400 МГц толщина базовой области W = 0,7 мкм; fГР = 1... 2 ГГц W = 0,2...0,3 мкм.
Помимо двух названных (предельная скорость переноса носителей заряда и допустимая напряженность электрического поля), есть еще два ограничительных фактора, не позволяющих увеличить мощность транзистора: допустимая температура р-п-перехода (у кремния не выше 150...200 °С) и эффект оттеснения. Сущность послед него сводится к тому, что с возрастанием заряда оттесняется ко внешнему краю эмиттера. В результате значение тока определяется периметром, а не площадью эмиттера, что не позволяет увеличивать мощность с повышением частоты.

общим эмиттером различают два вида семейств характеристик: выходные — зависимости

тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и тока базы iК=Ф(иКЭ,iБ) (рис. 7.4, а) и входные — зависимости тока базы от напряжения эмиттер-база и коллектор-эмиттер iБ=Ф(иЭБ, иКЭ) (рис. 7.4, 6). у кремниевых транзисторов напряжение отсечки Е/Б= 0,5...0,7 В.

При изменении температуры происходит смещение характеристик. Так, входная характеристика смещается влево при повышении температуры и вправо с ее понижением.

7.1). Сначала рассмотрим отдельно взятый р-п-переход, статическая характеристика которого описывается

функцией

где IS — обратный ток, или ток насыщения; иП — напряжение, приложенное к р-п-переходу; φТ=25,6МВ —температурный потенциал. Статическая характеристика р-п-перехода (7.4), приведенная на рис. 7.5, имеет два участка: один соответствует открытому р-п-переходу при приложении к нему прямого напряжения, другой — закрытому р-п-переходу при обратном напряжении. Обратное напряжение, превышающее по абсолютной величине напряжение UПРОБ приводит к электрическому пробою р-п-перехода.

Рис. 7.5

RS р-п-перехода. Закрытый р-п-переход характеризуется барьерной, или зарядовой, емкостью
где СН.ЗАР

— начальная емкость р-п-перехода; и — обратное напряжение, приложенное к р-п-переходу; φ0 - контактная разность потенциалов (φ0=0,5...0,8 В — для кремния); γ — коэффициент перехода, зависящий от состава примесей в переходе (обычно γ=0,5).
График функции (7.5) приведен на рис. 7.6.

из двух р-п-переходов, может быть представлена в виде, показанном на

рис. 7.7. Каждый из р-п-переходов может находиться в открытом или закрытом состоянии в зависимости от приложенного к нему напряжения — прямого или обратного.
Таким образом, в зависимости от того, какое напряжение приложено к эмиттерному и коллекторному переходу — прямое или обратное, могут быть четыре состояния биполярного транзистора, показанные в табл. 7.2, и соответственно четыре области на плоскости его статических характеристик: отсечки (1), активная (2), насыщения (З), инверсная (4) (рис. 7.8).
Область насыщения (З) характеризуется сопротивлением насыщения:

При обратном напряжении, приложенном к р-п-переходу, превышающем обратное напряжение UПРОБ происходит электрический пробой, сопровождаемый резким

на рис. 7.8 цифрой 5. Заход в нее недопустим, поскольку

пробой р-п-перехода является необратимым явлением, приводящим к выходу прибора из строя.

в теоретической модели транзистора при работе в активной области в

схеме с общей базой (рис. 7.9, а; ЭЦ — электрическая цепь), могут быть описаны двумя уравнениями:

где QБ — заряд базы; τЭ — среднее время жизни неосновных носителей заряда в области базы (в транзисторе типа п-р-п ими являются

электроны; iКГ — ток эквивалентного генератора в коллекторной цепи; τТ — время пролета носителями заряда базовой области, определяемое согласно (7.1).

их дальнейший перенос к коллектору под действием внешнего электрического поля.

Для составления эквивалентной схемы транзистора рассмотрим цепь из параллельно соединенных сопротивления R1 и емкости С (рис. 7.10), для которой согласно правилам электротехники запишем:

Из последнего выражения получим

где Q — заряд, накапливаемый емкостью; τ= СR — постоянная времени цепи.

позволяет сделать следующий вывод: эквивалентная схема открытого р-п - перехода

есть параллельная цепь из сопротивления RЭ и емкости СЭ произведение которых и есть постоянная времени τ= СЭRЭ, где СЭ, RЭ называются диффузионной емкостью или сопротивлением открытого эмиттерного перехода. Сказанное позволяет от схемы рис. 7.9, а перейти к эквивалентной схеме рис. 7.9, 6.

Совместно решая уравнения (7.6), (7.7), получим дифференциальное уравнение, связывающее ток на выходе транзистора (ток коллектора iк) с входным током (ток эмиттера iЭ):

общей базой
где
ωГР — граничная частота, определяемая согласно (7.1);

ωα - граничная частота в схеме с общей базой

В операционной форме уравнение (7.9) примет вид

Формальной заменой р на jω из формулы (7.10) получим зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общей базой от частоты:

Для модуля той же величины из (7.11) получим

что при частоте О) = о коэффициент передачи тока α

уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением α0 < 1.
Коэффициент усиления по мощности в схеме с общей базой есть произведение из коэффициентов усиления по току К1 по напряжению КU:

Из (7.13) следует, что в схеме с общей базой коэффициент усиления сигнала по мощности КP < КU.

Зарядовая модель транзистора в схеме с общим эмиттером. Процессы, протекающие в теоретической модели транзистора при работе в активной области в схеме с общим эмиттером (рис. 7.12, а), могут быть описаны тремя уравнениями: (7.6), (7.7) и дополни тельным — для тока базы 1 который является входным в данной схеме:

же методике, что и в предыдущем случае, приводит к эквивалентной

схеме, приведенной на рис. 7.12, 6.
По аналогии с предыдущим случаем для коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером и для модуля данной величины получим:

где — коэффициент усиления по току на низкой частоте в схеме с общим эмиттером; ωβ — граничная частота в схеме с общим эмиттером.

График функции (7.16) построен на рис. 7.11. Из него следует, что при частоте ω = ωβ коэффициент передачи тока β уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением Β0>> 1.

При частоте ω >> ωβ из (7.16) получим

аналогии с (7.13):
Из сравнения (7.13) с (7.18) следует, что коэффициент

усиления по мощности в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме общей базой.

Теоретическая, идеализированная модель транзистора (ТМ), показанная на рис. 7.9 и 7.12, отражает наиболее важные процессы, протекающие в его структуре. В реальной эквивалентной схеме биполярного транзистора помимо этой модели следует также учесть: индуктивности выводов электродов

; сопротивления потерь в базе (rБ) и коллектора (rКа rКп ); стабилизирующие сопротивления, включаемые последовательно с эмиттерами и отображаемые в виде общего сопротивления (rСТ); зарядную или барьерную емкость закрытого коллекторного перехода (СКа, СКп). Такая модель транзистора при работе в активной области и схеме с общим эмиттером приведена на рис. 7.13.

Полевые транзисторы
Полевой транзистор относится к разряду униполярных полупроводниковых приборов, в которых осуществляется перенос только основных носителей заряда.
Материалом ДЛЯ СВЧ полевых транзисторов обычно служит арсенид галлия (Gа As), позволяющий снизить активные потери в приборе и поднять максимальную частоту усиления до 6...8ГГц.
Основное различие в нескольких типах полевых транзисторов связано с методом управления потоком носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале.

Структура одного из полевых транзисторов, называемого металлополупроводниковым, с затвором типа барьера Шоттки приведена на рис. 7.15.

зарядов в канале. Изменяя значение воздействуют на этот поток, движущийся

от истока к стоку, увеличивая или уменьшая выходной ток прибора.
Эквивалентная схема полевого транзистора ВЧ диапазона, приведенная на рис. 7.16, включает в себя: СЗИ — емкость затвор-исток, ССИ — емкость сток-исток, СЗС — емкость затвор-сток (проходная емкость), СЗК — емкость затвор-канал, rЗК, rСИ потерь, iСГ — эквивалентный генератор тока стока.
Частотные свойства полевого транзистора определяются постоянной времени:

где τЗК= СЗКrЗК — постоянная времени цепи затвор-канал (см.7.16); τК — время пролета носителями заряда по каналу от к стоку.

(см. рис. 7.15). Поэтому в ВЧ диапазоне, пренёбрегая вторым слагаемым,

для генератора стока имеем

где S0 — крутизна статической характеристики; uЗК — напряжение между затвором и каналом; иBX — напряжение на входе прибора.
Согласно (7.22) зависимость амплитуды тока стока от частоты сигнала определяется выражением

Из (7.23) следует, что в полевом транзисторе, как и в биполярном, коэффициент усиления прибора по мощности уменьшается с повышением частоты.

При схеме транзистора с общим истоком

различают два вида семейств характеристик: зависимости тока стока от напряжения сток истоки затвор-исток iC = Ф(иси, uЗИ) (рис. 7.17, а) и зависимость тока стока от напряжения затвор-исток iC = Ф(иси) (рис. 7.17, 6).
Тангенс угла наклона линейного участка характеристики iC = Ф(иси) есть статическая крутизна S0. По внешнему виду статические характеристики полевого транзистора близки к характеристикам биполярного транзистора (см. рис. 7.4).

Однако следует иметь в виду, что биполярный транзистор управляется входным током (при схеме с общим эмиттером — током базы), полевой — входным напряжением затвор-исток.

область электроники, охватывающая пробле­мы исследования, конструирования, изготовления и применения микроэлектронных

изделий.
Микроэлектронное изделие — электронное устройство с высокой сте­пенью миниатюризации.
Интегральная микросхема (ИС) — микроэлектронное изделие, вы­полняющее' определенную функцию преобразования и обработки сигна­ла и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, кото­рое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и экс­плуатации рассматривается как единое целое.

на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и

кон­тактные площадки.
Подложка интегральной микросхемы — заготовка, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных интегральных микросхем, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.
Плата интегральной микросхемы — часть подложки (подложка) гибридной (пленочной) интегральной микросхемы, на поверхности которой нанесены пленочные элементы микросхемы, межэлементные в межкомпонентные соединения л контактные площадки.

на кристалле, служащий для присоедине­ния выводов компонентов и интегральных микросхем,

перемычек, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.
Корпус интегральной микросхемы — часть конструкции интеграль­ной микросхемы, предназначенная для защиты микросхемы от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями по­средством выводов.
Тело корпуса — часть корпуса без выводов.
Позиция вывода — одно из нескольких равноотстоящих друг от друга местоположений выводов на выходе из тела корпуса, располо­женных 'по окружности или в ряду, которое может быть занято или не занято выводом. Каждая позиция вывода обозначается порядковым номером.
Шаг позиций выводов — расстояние между номинальным положе­нием осей (плоскостей симметрии) позиций выводов.
Установочная плоскость — плоскость, на которую устанавливается интегральная микросхема.
Ключ — конструктивная особенность, позволяет определить вывод

кристалла интегральной микросхемы и предназначенный для электрического соединения и механического

крепления бескорпусной интегральной микросхемы при ее соединении с внешними электрическими цепями. (Выводы бескорпусной интеграль­ной микросхемы могут быть жесткими (шариковые, столбиковые, ба­лочные) и гибкими (лепестковые, проволочные). Гибкие выводы для механического крепления не применяются.)
Полупроводниковая интегральная микросхема — интегральная мик­росхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполне­ны в объеме и на поверхности полупроводника.
Пленочная интегральная микросхема — интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок (частными случаями пленочных микросхем являются толсто­пленочные и тонкопленочные интегральные микросхемы).
Гибридная интегральная микросхема — интегральная микросхема, содержащая кроме элементов компоненты и (или) кристаллы (частным случаем гибридной микросхемы является многокристальная ИС).

обработки сигналов по закону непрерывной функции- (частным случаем аналоговой интегральной

мик­росхемы является микросхема с линейной характеристикой (линейная микросхема)).
Цифровая интегральная микросхема — интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяю­щихся по закону дискретной функции (частным случаем цифровой мик­росхемы является логическая микросхема).
Плотность упаковки интегральной микросхемы — отношение числа элементов и компонентов интегральной микросхемы к ее. объему (объ­ем выводов не учитывается).
Степень интеграции интегральной микросхемы — показатель степе­ни сложности микросхемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов (степень интеграции определяется по фор­муле K=\gN, где К — коэффициент, определяющий степень интегра­ции, округляемый до ближайшего большего целого числа, АГ – число элементов n компонентов, входящих в интегральную микросхему). Серия интегральных микросхем — совокупность типов интегральных микросхем, которые могут выполнять различные функции, имеют еди­ное конструктивно-технологическое исполнение а предназначены для совместного применения.

током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной

ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.
Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).
Устройство транзистора с управляющим р-n-переходом приведено на рис. 1. Условное графическое обозначение этого транзистора показано на рис. 2, а, б (р-н «-типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть существенно меньше 1 мкм.

Графическое изображение: а – канал р - типа; б –

канал n-типа

р(канала), поэтому область р-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая

очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.
Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные. то получим полевой транзистор с управляющим р-n-переходом и каналом n - типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом p-типа:
ит > 0, то оно сместит р-n-переход в обратном направлении.
При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение и, достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью р-n-перехода (напряжение отсечки).

напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю

(/3~0), а ток стока практически равен току истока.
На ширину р-n-перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть иш = 0 и подано положительное напряжение и„с (рис. 3). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор - сток, т е. окажется, что и,с = иис и р-п- переход находится под обратным напряжением.
Обратное напряжение в различных областях р-п-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине иис. Поэтому р-n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.
При и„с = Um „тс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 4). При дальнейшем увеличении напряжения иис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.

отсечки