Слайд 1Военная кафедра
Тема1.Электронные устройства вооружения войск ПВО
.
Занятие2 (1/2) Активные элементы
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.
Слайд 21. Устройство и конструкция электронных ламп
Электронные лампы
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
Слайд 3 Основными составными частями ЭВП диода
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.
.
Слайд 4Маркировка и классификация электронных ламп
ЭВП можно классифицировать:
а) по типу используемых
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.
Слайд 5
в) ЭВП можно различать по напряжению накала, обеспечивающего нагрев катода;
Uнакала=1В,
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
Слайд 6 Характеристика и принцип работы
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.
Слайд 7Рис. 1.5- Зависимость тока анода от приложенного напряжения к аноду,
при различных значениях напряжения накала (температуры катода)
Рис.1.7- Условное обозначение
триода
Слайд 82. Биполярные и полевые транзисторы
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.
Слайд 10Рис. 1.8
Предельная или граничная частота усиления транзистора fГР непосредственно связана
со временем переноса носителей заряда τТ через базовую область толщиной
W (см. рис. 7.1, а):
где — время переноса носителей через базу.
Слайд 11 С помощью специальной, очень сложной
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.
Слайд 12
Вольт-амперные, или статические, характеристики биполярного транзистора.
При схеме транзистора с
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.
Слайд 13Биполярный транзистор представляет собой структуру из двух р-п-переходов (см. рис.
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
Слайд 14В реальной модели значение тока i ограничено сопротивлением активных потерь
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.
Слайд 15 Модель транзистора, как структура
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
Слайд 16увеличением носителей заряда — их лавинному умножению. Эта область обозначена
на рис. 7.8 цифрой 5. Заход в нее недопустим, поскольку
пробой р-п-перехода является необратимым явлением, приводящим к выходу прибора из строя.
Слайд 17Зарядовая модель транзистора в схеме с общей базой. Процессы, протекающие
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).
Слайд 18Уравнение (7.6) определяет накопление заряда в базовой области, (7.7) —
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.
Слайд 19Сравнивая уравнения (7.6) и (7.8), устанавливаем их полное совпадение, что
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):
Слайд 20— коэффициент передачи тока на низкой частоте
в схеме с
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
Слайд 21График функция (7.12) построен на рис. 7.11. Из него следует,
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:
Слайд 22Совместное решение уравнений (7.6), (7.7) и (7.14), проведенное по той
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
Слайд 23Коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером по
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.
Слайд 25Электрическое поле, создаваемое напряжением, приложенным к затвору, направлено перпендикулярно потоку
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.
Слайд 26Ток эквивалентного генератора определяется напряжением, приложенным непосредственно к участку затвор-канал
(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.
Слайд 27Вольт-амперные или статические характеристики полевого транзистора.
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.
Слайд 28 3. Назначение интегральных микросхем
Микроэлектроника —
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.
Слайд 29Кристалл интегральной микросхемы — часть полупроводниковой пластины, в объёме я
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.
Слайд 30Контактная площадка интегральной микросхемы — металлизированный участок на плате или
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
Слайд 31Вывод бескорпусной интегральной микросхемы — проводник, соединенный с контактной площадкой
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).
Слайд 32Аналоговая интегральная микросхема — интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и
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.
Слайд 33Полевые транзисторы
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным
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.
Слайд 34Рис 7.18 – Устройство полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Рис 7.19 -
Графическое изображение: а – канал р - типа; б –
канал n-типа
Слайд 35Удельное сопротивление слоя п (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя
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).
Слайд 36В рабочем режиме р-n-переход должен находиться под обратным или нулевым
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.
Слайд 37Рис 7.20 - Принцип действия полевого транзистора
Рис 7.21 - Режим
отсечки