Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Электротехника и электроника Специальность 100101

2. При нагревании полупроводника часть валентных связей нарушается под действием теп­ловых колебаний атомов в решетке, что приводит к одновременному образованию свободных электронов и пустых мест — дырок, которые, совершая хаотическое движение в течение некоторого времени (времени жизни), рекомбинируют (соединяются) с одним из свободных электронов, образуя стабильный атом решетки.

3. Собственные или типа i (от англ. intrisinc — собственный) полупроводники характеризуются высокой чистотой полупроводника, собственная проводимость которого определяется парными носителями заряда (электрон — дырка) теплового происхождения.

4. Примесная проводимость полупроводников обусловлена наличием примесных атомов, замещающих часть основных атомов, как правило, в узлах кристаллической решетки.

5. Электронные или полупроводники n-типа характеризуются наличием донорных («отдающих» электроны) примесей, валентность которых на единицу выше (по отношению к германию и кремнию это фосфор, мышьяк и другие элементы).

6. Полупроводники с дырочной или проводимостью р-типа характеризуются наличием акцепторной («принимающей» электроны) примесью, валентность которой на единицу меньше (по отношению к германию и кремнию это алюминий, галлий, бор, индий и другие элементы).

7. Электронно-дырочный или p-n—переход — это комбинация из двух полупроводников с различными типами проводимости (p- и n-типа, рис. 1, а), которая создается с применением специальных технологий (сплавлением, диффузией и др.)

8. Поскольку концентрация дырок в р-слое больше, чем в n- слое, то некоторая их часть за счет диффузии перейдет в n-область, где они будут рекомбинировать с электронами до тех пор, пока не установится равновесие, в результате чего на границе перехода со стороны n-слоя будет создана зона 2 (рис. 1, а) нескомпенсированных положительных зарядов (ионов) донорных атомов.

9. Аналогичными п. 8 процессами будет сопровождаться переход электронов из n- в р-область, в результате чего на границе перехода со стороны р-слоя будет создана зона 3 (рис. 1, а) нескомпенсированных отрицательных зарядов (ионов) акцепторных атомов.

10. Электрическое поле пространственных зарядов между зонами 2 и 3 (рис. 1, а) характеризуется контактной разностью потенциалов Dj_o, определяемой соотношением концентраций основных и неосновных носителей (например, дырок и электронов для р-слоя) и температурным потенциалом j_Т = kT/q, где k = 1,38×10^–23 Дж/К — постоянная Больцмана;

11. Для подключения внешних выводов используются омические (невыпрямляющие) контакты 1 (рис. 1, а) из олова, золота и других материалов, не создающих в сочетании с полупроводником p-n—переход.

а) б) в)

13. Указанное в п. 12 включение p-n—перехода называется обратным (непроводящим), при котором неосновные носители (дырки для n-области и электроны для р-области), оказавшиеся за счет хаотического теплового движения вблизи перехода, переносятся его полем, образуя обратный ток I_o , который для кремния увеличивается в два раза при увеличении температуры на каждые 10 °С.

14. Если поменять полярность подключения источника (рис. 1, в), то в области перехода потенциальный барьер снижается до Dj = Dj_o – U (p-n—переход сужается) вследствие того, что электроны n-слоя и дырки р-слоя отталкиваются в область перехода и количество пересекающих его носителей заряда существенно увеличивается.

15. Указанное в п. 14 включение p-n—перехода называется прямым (проводящим) и для этого случая его вольтамперная характеристика (ВАХ) описывается формулой:

I = I_o[exp(U/nj_т ) – 1],

где I — ток через переход при напряжении U; I_о — обратный (тепловой) ток; n = 1…2 — поправочный коэффициент, учитывающий отклонение характеристики от идеальной (теоретической); j_т — температурный потенциал (см. п. 10). Приведенная формула считается основным уравнением полупроводниковой электроники.

16. Биполярный транзистор был разработан в 1950 году американским физиком В. Шокли. Название «транзистор» происходит от английских слов transfer и resistor, т. е. буквально — «передающий резистор». Название «биполярный» объясняется тем, что, являясь трехэлектродным прибором, транзистор представляет собой конструкцию из двух p-n—переходов, один из которых, называемый эмиттерным, смещен в прямом направлении (одна полярность), а другой, называемый коллекторным, смещен в обратном направлении (вторая полярность). Область между этими двумя переходами называется базой, толщина которой существенно меньше длины свободного пробега носителей заряда, благодаря чему большая их часть (98% и более), инжектируемая прямо смещенным переходом база-эмиттер, достигает перехода база-коллектор и, подхватываясь «благоприятным» направлением поля этого перехода, образует коллекторный ток I_к . Общее же количество инжектируемых носителей образует эмиттерный ток I_э , их незначительная часть (2% и менее) рекомбинирует в области базы, образуя базовый ток I_б .

17. Схемы включения биполярных транзисторов ОБ (общая база) — управляющим электродом является эмиттер, выходным — коллектор, база — общим для входного и выходного сигналов; ОЭ (общий эмиттер) — управляющим электродом является база, выходным — коллектор, эмиттер — общим для входа и выхода; ОК (общий коллектор или эмиттерный повторитель) — управляющим электродом является база, выходным — эмиттер, коллектор — общим для входа и выхода.

18. Поскольку выходной величиной является коллекторный ток, то отношение a = I_к/I_э < 1 называют коэффициентом усиления тока эмиттера для схемы ОБ. Так как I_э = I_к + I_б, то для схемы ОЭ с учетом a коэффициент усиления тока базы b = I_к/I_б = a/(1 – a). Коэффициенты a и b зависят от толщины базы: чем она тоньше, тем меньшее количество инжектируемых электронов (или дырок) будет в ней «застревать» (рекомбинировать) (уменьшение I_б) и тем большее их количество будет проходить к коллекторному переходу (увеличение I_к); значение a = 0,999 (b = 999) было достигнуто в меза-транзисторах спустя несколько десятилетий после изобретения транзистора благодаря усовершенствованию технологии их изготовления.

19. Входная ВАХ биполярного транзистора (I_бэ = f(U_бэ)) в режиме малых сигналов практически совпадает с ВАХ прямо смещенного p-n—перехода.

20. Эффект Эрли в биполярных транзисторах — это эффект модуляции толщины базы, вызываемый изменением напряжения на коллекторе в режиме больших сигналов (при увеличении этого напряжения толщина базы уменьшается); поэтому в справочниках входная ВАХ (I_бэ = f(U_бэ)) часто приводится для двух значений коллекторного напряжения.

21. Семейство выходных ВАХ — это зависимость коллекторного тока от коллекторного напряжения при нескольких фиксированных значениях токах базы I_б (I_к = f(U_к)Iб=const).

22. Полевые транзисторы отличаются от биполярных тем, что в них используются носители только одного типа (электроны или дырки) и основным способом их движения является дрейф в электрическом поле.

23. Полевые транзисторы с управляющим р-n—переходом отличаются от биполярных тем, что управляющий р-n—переход работает в обратно смещенном режиме, что обеспечивает высокое входное сопротивление (до 10¹² Ом) и малый ток утечки (до 10^–12 А).

24. МДП-транзистор — полевой транзистор с Металлическим затвором и Диэлектрической пленкой между затвором и Полупроводником р- или n-типа, проводимость которого управляется электрическим полем затвора.

25. Полевые МДП-транзисторы характеризуются повышенным входным сопротивлением (до 10¹⁵ Ом) и малым током утечки (до 10^–15 А).

26. Основные характеристики полевых транзисторов, кроме перечисленных в п. 23 и 25: крутизна характеристики — отношение приращения тока стока к приращению напряжения на затворе (до 30 мА/В), напряжение отсечки — напряжение затвор-исток, при котором ток стока минимален и пороговое напряжение — напряжение затвор-исток, при котором индуцируется (создается) канал (только для МДП-транзисторов с индуцированным каналом).

27. Основным недостатком МДП-транзисторов является необходимость электростатической защиты, особенно у МОП-транзисторов, затвор которых изолирован от канала весьма тонким слоем Окисла кремния, который легко пробивается при соприкосновении с руками монтажника (по данным компании Motorola, в сухую погоду (при влажности 10—20%) ходьба по ковру вызывает генерацию на теле человека статического электричества до 35 кВ); поэтому изделия с такими транзисторами, как правило, поставляются в токопроводящих упаковках, а при их монтаже используются специальные средства защиты: заземленные паяльники и браслеты для рук, монтажные инструменты с токопроводящими ручками, полы и монтажные столы с антистатическим покрытием, поддержка соответствующей влажности воздуха (в некоторых случаях с дополнительной ионизацией).

28. Типы цифровых интегральных микросхем (ИМС) средней и высокой степени интеграции: ИМС, выполненные по биполярной, КМОП- и смешанной БИ-КМОП-технологии; ИМС на Комплементарных МОП-транзисторах (комбинации из двух МОП-транзисторов с каналами разной проводимости (n- и p-типа)); отличаются высокой экономичностью и быстродействием.

29. Параметры наиболее часто используемого усилительного каскада с общим эмиттером: коэффициент усиления по напряжению равен отношению коллекторного сопротивления к эмиттерному; для выбора рабочего режима и его стабильности используется низкоомный делитель напряжения в базовой цепи и резистор — в эмиттерной; для уменьшения нелинейных искажений напряжение на коллекторе в статическом режиме (при отсутствии входного сигнала) не должен превышать половину напряжения питания коллекторной цепи.

30. Критерии выбора оптимальных параметров дифференциального каскада: обеспечение идентичности транзисторной пары и коллекторных нагрузок; постоянство суммарного эмиттерного тока транзисторной пары, что достигается использованием в эмиттерной цепи высококачественного стабилизатора тока.

31. В стабилизаторе тока на базе каскада с ОЭ используется свойство этого каскада поддерживать постоянство коллекторного тока при изменениях нагрузки и напряжения на коллекторе за счет большого динамического сопротивления, равного отношению приращений напряжения на коллекторе и коллекторного тока, а также стабилизация положения рабочей точки на входной характеристике транзистора.

32. В дифференциальных каскадах операционных усилителей (ОУ) часто используется составной транзистор (каскад Дарлингтона), коэффициент усиления которого по току равен произведению коэффициентов усиления первого и второго транзисторов, образующих каскад Дарлингтона.

33. Название «Операционный усилитель» произошло от математиков, которые использовали их в аналоговых вычислительных машинах в качестве основного элемента решающих блоков (интеграторов, сумматоров и т. п.).

34. Между входными зажимами ОУ действует дифференциальный сигнал, коэффициент усиления которого в лучших промышленных образцах ОУ достигает значений 100… 120 дБ (10⁵…10⁶).

35. Между общей шиной и каждым входом ОУ действуют синфазные сигналы, которые в большинстве случаев применения ОУ являются помехами, коэффициент ослабления которых в лучших промышленных образцах ОУ достигает значений 100… 120 дБ (10⁵…10⁶).

36. Полоса пропускания ОУ в схеме инвертирующего усилителя определяется по уровню 0,707 амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) или (в децибелах) 20lg(0,707) = – 3 дБ.

37. Преимущества применения микроконтроллеров (МК) в системах управления: повышение технико-экономических показателей изделий (стоимость, надежность, потребляемая мощность, габаритные размеры), сокращение сроков их разработки и придания им принципиально новых потребительских качеств (расширение функциональных возможностей, модифицируемость, адаптивность и т. п.).

38. Типичная архитектура процессорного ядра МК: регистр-регистровая или RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд), отличающаяся повышенным быстродействием.

39. Типичная архитектура организации памяти МК — гарвардская: предполагает раздельное использование памяти программ и данных, что позволяет микропроцессору (МП) работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных, и тем самым увеличить производительность.

40. Критерии выбора МК: пригодность выбранного МК для решения поставленной задачи с учетом разрядности (8, 16, 32) и производительности (0,1… 200 MIPS), количества портов ввода/вывода (I/O), объема ОЗУ (RAM), ПЗУ (ROM), наличия часов реального времени; доступность: наличие МК в достаточных количествах, перспективы поставок в будущем, совместимость с МК, находящихся в стадии разработки; поддержка разработок: наличие программных (ассемблеры; компиляторы, симуляторы) и аппаратных средств поддержки (программаторы, эмуляторы, отладочные и оценочные модули); информационная поддержка: примеры применения и исходных текстов программ, квалифицированная консультация, виды связи с поставщиком и разработчиком, наличие научно-технической литературы на русском языке.

41. AVR микроконтроллеры компании Atmel (США). Звучная аббревиатура AVR, пестрящая в заголовках многочисленных русскоязычных книг по 8-разрядным МК фирмы Atmel и отсутствующая в официальных обозначениях таких МК, связана с именами двух студентов университета из 150-тысячного норвежского города Тронхейм Альфа Богена (Alf-Egil Bogen) и Вегарда Воллена (Vegard Wollen), которые разработали одну из самых удачных архитектуру МК и в 1995 году предложили ее корпорации Atmel, известной своими «ноу-хау» в области Flash-памяти. Идея настолько понравилась руководству Atmel, что было принято решение незамедлительно инвестировать предлагаемый проект, в результате чего в 1996 году в Тронхейме был основан исследовательский центр Atmel, а во второй половине 1997-го корпорация приступила к серийному производству нового семейства МК, к их рекламной и технической поддержке.

42. Состав и назначение процессорного ядра AVR-МК: регистры общего назначения (РОН), арифметико-логическое устройства (АЛУ) и регистры управления; принимает из памяти программ коды команд и после декодирования выполняет их.

43. Память программ Flash ROM AVR-МК служит для хранения кодов команд управляющей программы МК; допускает многократное (около 10 тыс.) внутрисхемное стирание и запись информации с помощью SPI-интерфейса непосредственно в целевом изделии без извлечения из него МК.

44. Энергонезависимая память EEPROM AVR-МК используется для долговременного хранения различной информации (промежуточные данные, константы, коэффициенты), которая может изменяться в процессе функционирования МК-системы; исходные данные загружаются в EEPROM через SPI-интерфейс; число циклов стирание/запись составляет не менее 100 тысяч.

45. ОЗУ статического типа (Static RAM, SRAM) AVR-МК служит для хранения переменных управляющей программ; для большинства МК здесь располагается также стек.

46. Тактовый генератор AVR-МК определяет скорость работы МК и синхронизацию всех его функциональных узлов.

47. Последовательный порт AVR-МК — аналог COM-порта настольного ПК — служит для обмена данными с внешними устройствами, включая ПК, по двухпроводной линии связи.

48. Порты ввода/вывода AVR-МК имеют от 3 до 53 независимых линий вход/выход, каждая из которых может быть запрограммирована на вход или выход с общей нагрузочной способностью до 40 мА, что позволяет подключать непосредственно к МК светодиоды и биполярные транзисторы.

49. Таймер-счетчик общего назначения AVR-МК предназначен для формирования запроса прерывания по истечении заданного интервала времени (режим таймера) или накопления заданного числа событий (режим счетчика).

50. Сторожевой таймер AVR-МК предназначен для ликвидации последствий сбоя в ходе выполнения программы путем перезапуска МК.

51. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) AVR-МК содержит базовый 10-разрядный АЦП и регистры управления; для обслуживания нескольких датчиков, подключенных к соответствующим портам ввода/вывода, используется аналоговый мультиплексор (коммутатор) для подключения в заданной последовательности одного из датчиков ко входу базового АЦП.