Билеты: Билеты по электронике

     1. История развития эл-ки. I-II период.
Э Ц наука о формировании и управлении потоками электронов в устройствах
приема, передачи, обработки и хранения инф-ии. В развитии Э выделяют 4
периода:
1)Примерно 100 лет назад. Связан с изобретением телефона и телеграфа. На
рубеже 19 и 20 вв. А.С. Поповым был изобретен беспроволочный телеграф-радио.
7.05.1895 он впервые  в мире применил полупроводниковый кристалл для
демодуляции радиосигнала.  Изобретение Попова стало основой для развития
совр. средств связи. I период  развития Э и промышл. средств связи можно
назвать эрой пассивных элементов: проводов, катушек индуктивности, магнитов,
резисторов, конденсаторов. Промышл. выпуск этих элементов и аппаратуры на их
основе положил начало развитию эл-ной промыш-сти. Аппаратура эры пассивных
элементов Ц это аппаратура 1-ого поколения.
2)с начала 19в. до 50 гг. 20 в. Начался с изобретения электронной лампы Ц
первого активного эл. прибора, способного к различного рода преобразованию
электронных сигналов, усилению мощности. Благодаря многократному усилению
слабых сигналов с помощью электронных ламп оказалась возможной передача
электр. сигналов (напр. телефон. разговор) на большие расстояния и
преодоление трудностей, связанных с затуханием сигнала в длинных линиях. 1904
Ц первая эл. лампа Ц диод. 1907 Ц триод. Первые газонаполненные радиолампы в
России были изготовлены Н.Д.Папалески в 1914 в Питере. 1916 Бонч-Бруевич
изготовил вакуумные приемно-усилительные лампы. Крупные научно-технические
открытия в Э. следовали одно за другим. 20 гг.XX в. Ц триумф радио, 40гг Ц
появляется военная электроника. Конец 40- начало 50 гг. Ц массовое
использование телевидения.  Этот период развития Э. характеризуется
стремительным ростом продукции эл-ой пром-ти Ц среднегодовой прирост Ц более
10%. Стремление к уменьшению размеров и снижению массы элементов нашло
отражение в создании миниатюрных конструкций электронных ламп, малогабаритн.
керамических конденсаторов. Термин лминиатюризация впервые возник в 20 гг.
Лампы диаметром 6-9мм., созданные в 40-е гг., считались сверхминиатюрными.
Реальные тех. хар-ки Ц срок службы, габариты, стоимость и надежность эл-ных
ламп приближались к их теоретическим пределам. Без новых открытий развитие
электроники могло бы завершиться еще в 50-е гг и выпуск продукции мог бы
стабилизироваться.
     2. История развития эл-ки. III-IV период.
3)Эра полупроводниковых приборов. Середина века Ц изобретен транзистор Ц
полупроводниковый прибор, способный выполнять все функции лампы. В 1948 г.
американские ученые создали германиевый точечный триод. В 1951 был изготовлен
плоскостный транзистор. С этого момента начинается бурное развитие
полупроводниковой техники Ц дрейфовые, полевые  транзисторы, фототранзисторы,
туннельные диоды, тиристоры. Уже предварительные оценки говорили о том, что
полупроводниковый прибор может иметь очень малые габариты и вес, более
высокую надежность и срок службы и быть сравнительно дешевым. С появлением
транзистора, благодаря его способности выполнять ф-ию переключателя, малым
габаритам и высокой надежности начала воплощаться в жизнь идея по произ-ву
ЭВМ. Создание сложных бортовых и космических Эл-ых устройств стало возможным
только на основе п/пых приборов. Аппаратура эры п/п-ых дискретных приборов Ц
это аппаратура 3-его поколения. Реальность создания сложных эл-ных устройств
и систем, содержащих тысячи электрорадио = ЭР эл-ов обусловилась новыми
противоречиями в развитии эл. пром-ти и Э.: легко спроектировать, но почти
невозможно безошибочно собрать и обеспечить работу различных схем. Ошибки при
монтаже, обрывы, КЗ и тд. Разрабатываемые  в конце 50-х гг. ЭВМ должны были
содержать около 100000 диодов и 2500 транзисторов.
Решение проблемы межсоединений привело в созданию интегральных микросхем. В
Э. и эл.пром-ти появился новый этап Ц МИКРОЭЛЕКТРОНИКА,  кот. отражает 2
основных направления Ц интеграцию и микроминитюаризацию.    Практически
одновременно, в конце 40 начале 50 гг возникло 3 конструктивных
технологических варианта интегральных микросхем:
-         толстопленочные и тонкопленочные гибридные интегральные микросхемы
-         полупроводниковые интегральные микросхемы = ПИМ
Прообразом  ПИМ явл. печатная плата, в кот. все одиночные проводники
объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом
путем стравливания медной фольги с диэлектр. плоского основания (текстолит) с
участков, не отведенных под проводники. Единст. видом радиоэл-в,
подвергающихся интеграции в этих платах, явл. проводники.
ПИМ были изготовлены в 1959 ( уже умели изготавливать дискретные транзисторы,
диоды, конденсаторы, резисторы и тд). 60- начало 70-х гг. Ц время новых
качественных изменений в полупроводниковой Э., генерации новых идей,
технологий полупроводников, эл.устройств.  Одновременно быстро росла
сложность интегральной электроники:
-         функциональной (от тригера до ЭВМ)
-         конструктивной (ИМС  содержат 10-30 эл-нов Ц 60-е гг.
БИС (=большие инт. Схемы) содержат неколько тысяч эл. на одном кристалле
СБИС  (= сверхбольшие инт. схемы)  - несколько сот тысяч эл. на одном
кристалле Ц 80 Це гг.
-         технологической Ц минимальный размер эл-нов снизился с 50 микрон
(60-е гг) до 2 микрон (80-е гг) и продолжает снижаться.
Темпы внедрения очень высоки, т.е. резко сокращается срок с момента научного
открытия до освоения в производстве Ц напр. реализация принципа фотографии Ц
более 100 лет, телефон Ц 50, радио Ц 25, электронное TV Ц 14, ЭВМ Ц 5 ,
транзистор Ц 5, ИМС Ц 3 года.
4) Связан с созданием эл. устройств и систем на базе ИМС, носит общее
название периода микроэлектроники ( с конца 70-х гг). Аппаратура 4-ого
поколения, созданная на базе ИМС, наз. МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ.  Разработка БИС и
СБИС позволила создать новый полупроводниковый компонент Ц микропроцессор =
МП
Мп представляет собой функционально законченное программно управляемое
устройство обработки данных, сочетающее дешевизну стандартного издания
серийного произ-ва с гибкостью универсального устройства, состоящего из
арифметико-логического устройства (=АУ) и устройства управления. На основе МП
БИС разработаны и выпускаются серийно микроЭВМ, представляющие собой
конструктивно завершенную вычислительную систему, содержащую, кроме МП,
несколько БИС памяти, тактовый генератор и интерфейсные схемы i/o.
Универсальным средством проектирования БИС и СБИС, а также МП-систем явл-ся
система автоматического проектирования (САПР), кот. должен владеть
высококвалифицированный специалист эл-ной техники и радиоэлектроники.
     3.Основные  свойства полупроводников. Собственный полупроводник.
Из очень большого числа различных полупровод. материалов наиболее широко исп-
ся для изготов-ния эл-ных приборов Ge и Si. Полупроводниковый кристалл харак-
ся закономерным расположением атомов образующих, так называемую КР в-ва.
Межатомные связи осуществляются валентными эл-нами, находящимися на внешней
оболочке атомов. У Ge и Si 4 валентных электрона. При образовании кристаллов
атомы настолько сближаются, что их внешние электронные оболочки
перекрываются. При этом у валентных эл-нов соседних атомов появляются общие
орбиты, на каждой из которых может находиться не более 2-х эл-нов. Эти общие
орбиты связывают между собой атомы
Ge или Si, образуя ковалентные или парноэлектронные связи. Причем электр.
связи  принадлежат обоим связанным между собой атомам. Для наглядности
атомную решетку можно изобразить в виде плоской сетки, в кот. каждый атом
соединяется парной эл-ной связью с 4 ближайшими атомами.
(рис.1) Такая решетка явл-ется идеальной. П/п-ки с идеальной КР (не имеющей
примесей) называются СОБСТВЕННЫМИ. (= СП/п-ки)
При температуре абсолютного нуля все валентные эл-ны в СП/п-ке связаны. Если
поместить такой кристалл в электрическое поле, то ток не возникает, поскольку
нет свободных эл-нов Ц идеальный изолятор.
Свободный электрон или электрон проводимости может появиться в СП/п-ке только
в том случае, если валентый эл-он освободится из какой-либо связи. Для этого
необходима определенная энергия, которая зависит от силы связи валентных эл-
нов с атомами и для разных полупроводников она различна, так как при
освобождении эл-н получает доп. Энергию, то его полная энергия будет больше,
чем у связанных эл-нов на величину, необходимую для разрыва связи.
Если отложить на вертикали полную энергию св. и связанных эл-нов, то
получится след. график. (рис 2)
Энергией выше Ес могут обладать только свободные эл-ны, а энергией, меньше Еv
будут обладать только валентные эл-ны. Поэтому зону энергии, выше Еc называют
зоной проводимости, а ниже Еv  - валентной зоной, поскольку в идеальных
кристаллах эл-ны не могут обладать энергией.
Для Ge ширина запретной зоны сост. 0.72 эВ. Для Si Ц 1.21 эВ.
(1эВ=1.6110н‾¹9)Дж.
Как видно, получить св.эл. в  Ge легче, чем в Si. Освобождение валентных эл-
нов может происходить за счет тепла, света, эл. поля и различных видов
излучений. При t, отличной от абс. Нуля, всегда имеется вероятность того, что
какие-то ел-ны за счет тепловых колебаний получат энергию больше ширины
запретной зоны и станут свободными. Число свободных электронов увеличивается
с t по экспоненциальному закону
                   n=Nce - ∆Е/2КТ                   
где n Ц концентрация св. эл-нов в см³.
∆ E Ц ширина запретной зоны
T Ц абсолютная температура в Кельвинах
Л Ц пост. Больцмана=1.3810-23  Дж/град.
Nc  - максимально возможная эффективная плотность электр. проводимости.
При Т стремящейся к бесконечности n стремится к Nc. 
Если валентный эл-н разорвал ковалентную связь и стал эл. проводимости,
наблюдается местное нарушение электр. нейтральности, т.е. в этом месте будет
преобладать положительный заряд ядер, равный заряду эл-на. Эти вакантные
места, появл. в валентных связях, называются дырками. Дырка может быть
заполнена валентным эл-ном из соседней связи. При этом одна связь заполнится,
а другая станет дефектной, след. дырки могут перемещаться по кристаллу вместе
с положительным зарядом. Т. в СПП-ке дырка появляется только при образовании
св. эл-нов, то число дырок в нем всегда равно числу свободных электронов.
Св. эл-н может занять дырку и вновь стать валентным. При этом выделяется энергия
дельта Е, в виде тепла или света. Такой процесс превращения св. эл-нов в
связанный, приводящий к исчезновению св.эл-нов и дырки, наз. рекомбинацией
.   Обратный процесс = генерация. При отсутствии эл. поля в СПП-ке эл ток не
возникает, те эл-ны и дырки находятся в состоянии хаотического теплового
движения.
     4.Электронный полупроводник.
Применение в технике чистых п/п-вых материалов очень ограничено. Почти во всех
п/п приборах используются материалы, легированные примесями. При введении в п/п
различных примесей можно > концентрацию эл-нов, не увеличивая одновременно
концентрацию дырок и наоборот, т.е. получать п/п с дырочной или эл.
проводимостью. В качестве примесей обычно ис-ся эл-ты 3 или 5 группы ПСХЭ.
Элементы 5 группы служат для создания эл-х п/п, их называют донорами, тк они
отдают в кристалл свободный эл. В качестве донорных примесей используется
сурьма, фосфор, мышьяк.  При введении атома донора в КР Ge только 4 эл-на от
донорного атома могут участвовать в образовании КС с соседними атомами. Пятый
эл-н при t, близкой к абс. нулю, будет вращаться вокруг атома донора и
удерживаться около него за счет сил электр. притяжения.
(рис 1) При повышении t,  свободным становится в первую очередь эл. донора, а
его атом приобретает положительный заряд, т.е. ионизируется. Причем, тк ион
прочно связан валентными эл-нами с соседними атомами, он не может
передвигаться по кристаллу и создавать ток. То, для п/п-ка образование св.эл-
нов не сопровождается образованием дырки. Ток может образовываться только эл-
нами. Поэтому такие проводники называются электронными.
     5.Дырочный проводник.
Вводятся эл-ты 3-й группы Ц Al, B, Ga.
(Рис) Эти примеси называют акцепторными, тк они могут забирать валентные эл-
ны от соседних атомов и то создавать дырки. Атом примеси, присоед. один эл,
становится отрицательным. Однако в целом кристалл остается нейтральным,  т.е.
образование дырки не сопровождается образованием электронов.
Заряд в п\п-х, легированных акцепторами, переносятся в основном дырками.
Поэтому такие п/п называются дырочными, а дырки Ц основными носителями. В
п\п-х электр. ток может быть вызван двумя причинами Ц электр. полем и
неравномерным перераспределением заряда (эл-нов или дырок) по объему. Ток,
образующ. при дрейфе носителей заряда в электр. поле,  называют дрейфовым или
током проводимости.
Ток, возникающ. при диффузии носителей из области, где их концентрация
повышена, назыв. диффузионным.
     6. Электронно-дырочный переход (полупроводниковый диод) = p/n-переход
p/n-переход Ц основной элемент современных диодов и транзисторов. Он возникает
на границе между дырочной и эл-ной областью одного кристалла. p/n-переход
обладает вентельными св-вами, что позволяет создать п/п диод.(рис) Изобразим
условно кристалл, одна часть которого имеет дырочную проводимость, другая Ц
эл-ную. В этом случае эл-ны и дырки могут переходить через границу. Слева от
границы раздела эл-нов значительно <, поэтому они стремятся дифундировать в
р-область. Однако, как только эл-ны попадают  в р-область, они начинают
рекомбинировать с дырками,с основными носителями в р-области и их концентрация
быстро убывает по мере их углубления. Аналогично дырки диффундируют из
р-области в n-область.
Уходя в другую область, свободные носители оставляют некомпенсированный заряд
ионизированных атомом примесей, связанных с КР. В n-области положительный
заряд ионизированных доноров, в р-области Ц отриц. заряд ионизированных
акцепторов.  На границе области образуются 2 слоя противоположных по знаку
зарядов, т.е. эл. поле. Тк оно препятствует диффузии основных носителей, то
его называют потенциальным барьером. Продиффундировать через p/n-переход
могут только те носители, тепловая энергия которых достаточна, чтобы
преодолеть потенциальный барьер. Однако этот барьер способствует переходу не
основных носителей.  Под действием поля появляется дрейфовый ток, состоящий
из неосновных носителей и направленный навстречу диффузионному току основных.
Если p/n-переход изолирован, то эти два тока равны и общий ток равен нулю.
     7. Обратное включение p/n-перехода.
Рассмотрим, какими хар-ками будет обладать p/n-переход в зависимости от
полярности приложенного напряжения.
При обратном включении  p/n-перехода  батарея подключается так, чтобы ее поле
имело тоже направление, что и поле в p/n-переходе.(рис 1-2) Поскольку
сопротивление области пространственного заряда много выше материала, то все
напряжение батареи оказ-ся приложенным к p/n-переходу. Потенциальный барьер
возрастает и равен Uk + Uб, где Uk -
потенциальный барьер, Uб Ц напряжение батареи. По мере > Uб  
все < остается способных преодолеть возрастающее эл. поле, поэтому ток
диффузии стремится к нулю. Эта зависимость имеет экспоненциальный характер.
     8. Прямое включение p/n-перехода. 
(рис1-2) При прямом включении p/n-перехода батарея включается так, что ее поле
направлено навстречу контактному, практически все напряжение приложено к
p/n-переходу. С увеличением Uб потенциальный барьер < и ток
диффузии возрастает.
Изобразим графически вольт-амперную хар-ку  p/n-перехода. (график)
Хар-ка п/п диода (линия 2) как правило отличается от хар-ки рассмотренного
идеального p/n-перехода. Объясняется это тем, что в диодах последовательно с
p/n-переходом включено сопротивление объема.
     9. Основные типы п/п диодов и  их классификация.
По области применения диоды можно разделить на след. группы:
1.        выпрямительные
2.        универсальные
3.        сверхвысокочастотные
4.        импульсные
5.        опорные (стабилитронный)
6.        варикапы
7.        туннельные
По исходному п/п материалу:
1.        германиевые (-60