Elektroninių įtaisų ir jų gamybos procesų modeliavimas ir tyrimas

Įvadas Elektronika – viena iš sparčiausiai besivystančių mokslo ir technikos sričių, apimanti praktiškai visas žmogaus veiklos sritis. Elektronika dažnai apibrėžiama kaip mokslo ir technikos šaka, tirianti ir taikanti elektros krūvininkų generacijos, judėjimo, rekombinacijos reiškinius vakuume, dujose, kietuosiuose kūnuose ir taikanti šiuos reiškinius ir jais pagrįstus įtaisus informacijai apdoroti. Mikroelektronika – plati šiuolaikinės elektronikos sritis, apimanti mikroelektronikos gaminių – integrinių grandynų – tyrimą, konstravimą, gamybą ir taikymą. Šiuo metu mikroelektronika jau transformuojasi į nanoelektroniką. Integriniai grandynai – tai šiuolaikinės mikroelektronikos gaminiai, skirti pakeisti signalui ar informacijai kaupti. Integriniai grandynai yra sudaryti iš daugelio miniatiūrinių elementų ar jų grupių (komponentų), kurie atlieka elektronikos elementų (rezistorių, kondensatorių, diodų, tranzistorių) ar jų grupių funkcijas. Integriniams grandynams ir jos komponentams būdinga tai, kad jų elementai visi kartu sudaro nedalomą visumą, kiekvienas iš jų negali būti naudojamas kaip atskiras vienetas. Šiame darbe atliksime terminės difuzijos proceso tyrimą, dvipolio tranzistoriaus parametrų skaičiavimą ir ekvivalentinės grandinės schemos sudarymą, lauko tranzistoriaus parametrų skaičiavimą ir ekvivalentinės grandinės schemos sudarymą, akustinės elektronikos įtaiso projektavimą. 1. Difuzijos proceso tyrimas Difuzija vadinamas kryptingas medžiagos dalelių skverbimasis jų tankio mažėjimo link dėl jos dalelių chaotiškojo judėjimo. Gaminant puslaidininkinius įtaisus ir puslaidininkinius integrinius grandynus, difuzijos reiškinys panaudojamas puslai­dininkių legiravimui. Aukštoje temperatūroje difuzijos būdu įterpus į paviršinį puslaidininkio sluoksnį priemaišų, galima pakeisti to sluoksnio laidumo tipą arba sudaryti lokalias kitokio laidumo sritis. 1. 1 Apskaičiuoti ir nubraižyti priemaišų pasiskirstymą po priemaišų įterpimo etapo. Pradiniai duomenys: Difuzijos koeficientas (cm2/s): 2∙10-13; Proceso trukmė (min.): 9, 15 ir 7. Terminė priemaišų difuzija vyksta dėl difunduojančios medžia­gos – difuzanto – koncentracijos gradiento. Priemaišų atomai aukštoje temperatūroje į kietuosius kūnus gali skverbtis keliais būdais: užimdami vakansijas, prasisprausdami tarp atomų ir pasikeisdami vietomis su gretimais atomais (1pav.). Tikimiausias yra priemaišų skverbimasis per vakancijas. 1.1 pav. Priemaišos atomų skverbimasis per vakansijas (a), tarpmazgius (b) ir pasikeičiant vietomis su kitais atomais (c) Difuzijos proceso greitį apibūdina difuzijos koeficientas D. Šis koeficientas labai priklauso nuo temperatūros T. Kylant temperatūrai, difuzijos koeficientas sparčiai didėja. Priklausomybė išreiškiama Arenijaus lygtimi: (1) čia – proporcingumo koeficientas; – difuzijos proceso akty­vacijos energija; – Bolcmano konstanta; – difuzijos proceso temperatūra. Difuzijos teorija pagrįsta dviem dėsniais, kuriuos 1855 metais suformulavo šveicarų mokslininkas A. Fikas (Fick). Praktikoje pasitaikančias priemaišų difuzijos sąlygas gana gerai atitinka du paprasti teoriniai modeliai: difuzija iš begalinio šaltinio ir difuzija iš riboto šaltinio. Vykstant difuzijai iš begalinio šaltinio, priemaišų koncentracija kristalo paviršiuj nekinta. Kuo didesnis gylis, tuo mažesnė priemaišų koncentracija. Tam tikrame gylyje, kol vyksta difuzija, priemaišų koncentracija didėja. Nuo difuzijos proceso temperatūros ir trukmės priklauso legiravimo dozė – skaičius priemaišos atomų, praėjusių pro vienetinį padėklo paviršiaus plotą per difuzijos laiką. Vykstant difuzijai iš riboto šaltinio, priemaišos atomai pro padėklo paviršių nesiskverbia, ir legiravimo dozė nekinta. Todėl prie padėklo paviršiaus priemaišos koncentracija mažėja, gilumoje-auga. Difuzijos šaltinis yra begalinis ( arba neišsenkantis ), jei priemaišų koncentracija kristalo paviršiuje nekinta – tai yra const, kai ir atsižvelgus į pradinę sąlygą , kai ir , bei ribinę sąlygą , kai ir , gaunamas toks antrosios Fiko diferencialinės lygties sprendinys: (2) čia erfc- papildoma paklaidų funkcija, išreiškiama formule: . (3) Įrašius(3) išraišką į (2), gauname: (4) Priemaišos koncentracijos pasiskirstymą lemia difuzijos koeficientas (proceso temperatūra ) ir difuzijos proceso trukmė Turėdami pradinius duomenis, ir pasinaudodami matematinių sakičiavimų programa Matlab7 gauname tokį priemaišų pasiskirstymą po priemaišų įterpimo etapo: 1.2 pav. Priemaišos pasiskirstymo profiliai, kai difuzija vyksta iš nesenkančio šaltinio Išvados: Grafike yra pavaizduotas priemaišų pasiskirstymas, kai difuzija vyksta iš nesenkančio šaltinio. Jame yra trys kreivės: vykstant difuzijai iš nesenkančio šaltinio, didesniame gylyje priemaišos tankis yra mažesnis. Tam tikrame gylyje, kol vyksta difuzija, priemaišos koncentracija didėja. Jei difuzijos procesas vyktų pakankamai ilgai, priemaišos koncentracija bet kuriame gylyje taptų tokia, kaip paviršiuje. 1.2. Apskaičiuoti ir nubraižyti, kaip priemaišų įterpimo etape kinta priemaišos srauto tankis ir legiravimo dozė. Pradiniai duomenys: Priemaišų koncentracija bandinio paviršiuje (1/cm3): 11020; Difuzijos koeficientas (cm2/s): 210-13 Nuo difuzijos proceso temperatūros ir trukmės priklauso ir legiravimo dozė – skaičius priemaišos atomų, perėjusių per vienetinį padėklo paviršiaus plotą per difuzijos laiką . Žinodami , galime rasti difuzijos srauto tankį. Taikydami pirmąjį Fiko dėsnį, galime rašyti: . (5) Į (5) formulę įrašę priemaišos pasiskirstymo išraišką (2) , gauname: . (6) Iš (6) formulės galima nustatyti kaip priemaišų įterpimo etape kinta priemaišos srauto tankis: 1.3 pav. Priemaišos srauto tankio priklausomybė nuo laiko Suintegravę priemaišos atomų srautą per vienetinio ploto padėklo paviršių, gauname legiravimo dozę: . (7) Iš (7) formulės nubraižome legiravimo dozės kitimą: 1.4 pav. Legiravimo dozės priklausomybė nuo laiko Išvados: Iš 1.3. pav. matome, kad prasidėjus priemaišos įterpimo procesui srauto tankis sparčiai mažėja. Laikui bėgant srauto tankio mažėjimas silpnėja ir tampa beveik pastovus. Tuo tarpu legiravimo dozė didėja bėgant laikui. Taip yra todėl, kad priemaišos į plokštelę skverbiasi per joje esančias vakansijas arba tarpmazgius. Didėjant legiravimo dozei, mažėja laisvų vakansijų ir tarpmazgių, todėl mažėja ir atomų, prasiskverbiančių į plokštelę per tam tikrą laiko tarpą, skaičius. Legiravimo dozės Q ir srauto tankio J priklausomybė nuo laiko kinta pagal eksponentinį dėsnį, tik jų kitimai atvirkščiai proporcingi. 1.3. Apskaičiuoti ir nubraižyti priemaišų pasiskirstymą po priemaišų perskirstymo etapo. Pradiniai duomenys: Legiravimo dozė (1/cm2): 11013 ; Difuzijos koeficientas (cm2/s): 210-13 ; Proceso trukmė (min): 14, 23 ir 33. Praktikoje terminės priemaišų difuzijos procesą dažniausiai sudaro dvi stadijos. Difuzija iš nesenkančio šaltinio vyksta pirmojoje – priemaišų įterpimo stadijoje. Šioje stadijoje į ploną paviršinį kristalo sluoksnį įvedamas reikiamas priemaišų kiekis. Antrojoje – priemaišų perskirstymo stadijoje, aukštesnėje temperatūroje suformuojamas reikiamas priemaišų koncentracijos profilis. Dažnai antrojoje difuzijos stadijoje atliekamas ir paviršiaus oksidavimas. Todėl antrojoje stadijoje priemaišų atomai per padėklo paviršių neprasiskverbia ir legiravimo dozė nekinta. Tada difuzija vyksta iš riboto šaltinio – pirmojoje stadijoje legiruoto paviršinio sluoksnio. Šiomis sąlygomis antrosios Fiko diferencialinės lygties sprendinys išreiškiamas formule: ; (8) čia – priemaišos difuzijos koeficientas priemaišų perskirstymo etape, – šio etapo trukmė; Q - legiravimo dozė; x – koordinatė. Ši formulė atitinka Gauso (Gauss), arba normalųjį pasiskirstymą. Pagal (8) formulę randame priemaišų pasiskirstymą po priemaišų perskirstymo etapo. Pasiskirstymo kreivės atvaizduotos 1.5 paveiksle. 1.5 pav. Priemaišų pasiskirstymo profiliai, kai difuzija vyksta iš riboto šaltinio Išvados: 1.5 paveikslo pasiskirstymo kreivių parametras yra sandauga Dt. Pradžioje (kai Dt = 0) priemaišų koncentracija padėklo paviršiuje paprastai atitinka ribinį priemaišų tirpumą silicyje. Didėjant sandaugai Dt , priemaišų atomai iš paviršinio sluoksnio prasiskverbia vis giliau į padėklą. Todėl prie padėklo paviršiaus priemaišų koncentracija mažėja, padėklo gilumoje – didėja. Kreivės ribojamas plotas nekinta, nes nekinta legiravimo dozė. Remiantis gautomis išraiškomis, galima teoriškai parinkti šiluminės priemaišų difuzijos procesu sąlygas. 1.4. Apskaičiuoti ir nubraižyti priemaišų pasiskirstymą tranzistoriuje, formuojamame dvikartės difuzijos būdu. Pradiniai duomenys: Pradinė priemaišų koncentracija (1/cm3): 2 1015 1 lentelė. Pradiniai parametrai Įterpimo stadija Perskirstymo stadija Įterpimo stadija Priemaišų koncentracija (1/cm3) 11019 - 91021 Nominali temperatūra (°C) 1000 1000 1000 Aktyvacijos energija (eV) 3,2 4,9 4 Difuzijos koeficientas (cm2/s) 210-13 110-13 210-13 Stadijos trukmė (min.) 29 70 32 Faktinė temperatūra (0C) 916 1051 922 Priemaišų įterpimo iš begalinio šaltinio pasiskirstymas apskaičiuojamas pagal formulę: ; (9) čia D - difuzijos koeficientas; t – įterpimo proceso trukmė; N0 - priemaišų koncentracija bandinio paviršiuje. Priemaišų pasiskirstymas po įterpimo etapo skaičiuojamas pagal formulę: ; (10) čia Q – legiravimo dozė; D - difuzijos koeficientas; t - proceso trukmė; x - koordinatė. Gauta kreivė pavaizduota 5 paveiksle. 1.6 pav Priemaišų pasiskirstymas tranzistoriuje, formuojamame dvikartės difuzijos būdu Grafiko aptarimas: Dvikartę difuziją sudaro du etapai: priemaišų įvedimas ir priemaišų perskirstymas. Įvedimą atitinka difuzija iš begalinio šaltinio, todėl nedideliame gylyje priemaišų koncentracijos yra didesnė, palyginus su giliau esančia koncentracija. Tolstant nuo paviršiaus, priemaišų koncentracija mažėja. Dideliame gylyje (3 μm) priemaišų koncentracija nekinta, nes priemaišos neprasiskverbia į tokį gylį. 2. Dvipolio tranzistoriaus parametrų skaičiavimas ir ekvivalentinės grandinės schemos sudarymas Dvipolis tranzistorius – tai puslaidininkinis prietaisas, kuriame puslaidininkio monokristale sudarytos trys laidumo tipo sritys, tarp kurių yra dvi sąveikaujančios pn sandūros. Dvipoliai tranzistoriai būna pnp ir npn struktūros. 2.1 pav. Pnp (a) ir npn (b) tranzistorių dariniai ir žymenys schemose Vidurinė pnp ir npn darinių sritis vadinama baze . Likusios dvi kitokio laidumo sritys vadinamos emiteriu ir kolektoriumi. Sandūra tarp emiterio ir bazės vadinama emiterio sandūra, sandūra tarp bazės ir kolektoriaus – kolektoriaus sandūra. Nurodytos struktūros tranzistoriai vadinami dvipoliais todėl, kad juose teka abiejų tipų krūvininkų ( elektroninės ir skylinės ) srovės. Pradiniai duomenys: 2.2 pav. pateiktos pagal bendrojo emiterio schemoje įjungto dvipolio tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo charakteristikos. Tranzistoriaus IB = 0,1 mA , UCE = 4 V, o jo fT = 0,6 GHz. 2.1.Rasti dvipolio tranzistoriaus h parametrus: Jeigu sudarytos stiprinimo veikos sąlygos ir tranzistoriaus sandūrų įtampų ir srovių dedamosios yra silpnos, tranzistorių galima laikyti tiesiniu aktyviuoju keturpoliu. Jo savybes galima nusakyti r, g ir h parametrais. Praktikoje dažniausiai naudojami h parametrai, nes juos lengviau išmatuoti, be to į šią sistema tiesiogiai įeina svarbiausias dvipolio tranzistoriaus parametras – srovės perdavimo koeficientas. Kai naudojama h parametrų sistema, tranzistorius kaip keturpolis, aprašomas lygtimis: Parametrų reikšmes, bet kuriame pasirinktame darbo taške, galima apskaičiuoti iš statinių dvipolio tranzistoriaus charakteristikų. Iš pateiktų statinių charakteristikų randame dvipolio tranzistoriaus, įjungto pagal bendrojo emiterio schemą, h parametrus. 2.1.1 Tranzistoriaus parametras atitinka įėjimo varžą. randame iš dvipolio tranzistoriaus įėjimo charakteristkos 2.3 pav. Dvipolio tranzistoriaus parametro h11E skaičiavimas iš įėjimo charakteristikų Nurodyto darbo taško Q aplinkoje parametras skaičiuojamas pagal formulę: Pagal 2.3 pav. darbo taške Q dvipolio tranzistoriaus įėjimo varža h11E lygi: ; 2.1.2 Įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas randamas iš dvipolio tranzistoriaus įėjimo charakteristkos 2.4 pav. Dvipolio tranzistoriaus parametro h12E skaičiavimas iš įėjimo charakteristikų Nurodyto darbo taško Q aplinkoje šis parametras skaičiuojamas pagal formulę: Pagal 2.4 pav. darbo taške Q dvipolio tranzistoriaus įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas lygus: Praktikoje dažniausiai laikoma, kad h12E ≈ 0. Mūsų apskaičiuotas h12E tenkina šią sąlygą. 2.1.3 Srovės perdavimo koeficientas randamas iš dvipolio tranzistoriaus išėjimo charakteristkos 2.5 pav. Dvipolio tranzistoriaus parametro h21E skaičiavimas iš išėjimo charakteristikų Nurodyto darbo taško Q aplinkoje šis parametras skaičiuojamas pagal formulę: Pagal 2.5 pav. darbo taške Q dvipolio tranzistoriaus srovės perdavimo koeficientas lygus: 2.1.4 Išėjimo laidumas randamas iš dvipolio tranzistoriaus išėjimo charakteristkos 2.6 pav. Dvipolio tranzistoriaus parametro h22E skaičiavimas iš išėjimo charakteristikų Nurodyto darbo taško Q aplinkoje šis parametras skaičiuojamas pagal formulę: Pagal 2.6 pav. darbo taške Q dvipolio tranzistoriaus išėjimo laidumas lygus: Iš tranzistoriaus išėjimo laidžio galime rasti išėjimo varžą: Išvados: Parametrai ir randami iš įėjimo charakteristikų šeimos, o parametrai ir randami iš išėjimo charakteristikų. Įjungto pagal bendrojo emiterio schemą tranzistoriaus įėjimo varža būna apie kiloomą, įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas =10-4 – 10-3, srovės stiprinimo koeficientas =β= 20 – 500, išėjimo varža 1/h22 – vienetų ir dešimčių kiloomų eilės. Skaičiavimo rezultatai iš statinių charakteristikų atitinka teorines reikšmes, tad galime daryti prielaidą, kad h parametrai teisingi. 2.2. Sudaryti tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinės grandinės schemą, rasti jos elementų parametrus Nagrinėjant elektines grandines, kuriose yra tranzistorių, šie tranzistoriai pakeičiami ekvivalentinėmis schemomis. Dvipoliai tranzistoriai, įjungti pagal bendro emiterio schemą, dažnai modeliuojami П pavidalo ekvivalentinėmis grandinėmis. Sudarome pavidalo ekvivalentinės grandinės schemą ( 2.7 pav.): 2.7 pav. П pavidalo ekvivalentinė dvipolio tranzistoriaus schema Apskaičiuojame dvipolio tranzistoriaus П pavidalo ekvivalentinės grandinės schemos elementų parametrus: perdavimo charakteristikos statumą gm, varžą rπ, išėjimo varžą r0, bazės varžą rB*. 2.2.1 Tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumas gm Iš tranzistoriaus išėjimo charakteristikų (2.2 pav.) kolektoriaus srovė tranzistoriaus darbo taške Q bus : IKQ = 10 mA. Dvipolio tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumas apskaičiuojamas pagal tokią formulę: ; kai T=300 K, tai kT/q0,025 V. Tuomet: ; ; 2.2.2 Išėjimo varža r0 , ; 2.2.3 Varža rπ Srovės perdavimo koeficientas bendrojo emiterio schemoje: , . Varžą rπ galime apskaičiuoti iš formulės: , ; 2.2.4 Tranzistoriaus bazės srities varžą: ; ; 2.2.5 Tranzistoriaus parazitinės talpos Cμ ir Cπ Kadangi užduotyje nėra nurodyta nei viena iš šių talpų tai skaitinių verčių negalime rasti: . Išvados: Sudarant П pavidalo ekvivalentinę grandinę naudojomės tranzistoriaus h parametrais. Pagrindiniai schemos parametrai yra perdavimo charakteristikos statumas, varža rπ, išėjimo bei bazės varžos. Aukštuose dažniuose pasireiškia tranzistoriaus parazitinės talpos Cμ ir Cπ. Čia Cμ atitinka talpa tarp kolektoriaus ir bazės sričių. Mūsų nagrinėjamu atveju П pavidalo ekvivalentinės dvikrūvio tranzistoriaus schemos elementų parametrai: ; ; ; ; . 2.3. Apskaičiuoti išėjimo srovės kintamąją dedamąją, kai kintamoji įėjimo įtampa yra 55 mV Laikydami, kad tranzistoriaus išėjimo grandinėje sudarytos trumpojo jungimo pagal kintamąją srovę sąlygos, išėjimo srovės kintamąją dedamąją galima apskaičiuoti pagal formulę: Įtampą randame pasinaudodami formule: Įstačius įtampos išraišką į išėjimo srovės formulę gauname, kad išėjimo srovės kintamoji dedamoji lygi : ; Išvados: Prie dvipolio tranzistoriaus, įjungto pagal bendrą emiterį, prijungus kintamąją įtampą, tranzistoriaus išėjime tekės kintamoji srovė. Jei kintamosios įtampos vertė lygi 55 mV, tai tranzistoriaus išėjimo srovės kintamoji dedamoji bus lygi 20,6 mA . 2.4. Rasti žemo dažnio įtampos stiprinimo koeficientą, kai apkrovos varža lygi 152 Ω Žemo dažnio įtampos stiprinimo koeficientas apskaičiuosime pagal šią formulę: Kadangi Ra = 152 Ω, o β=h21E tai žemo dažnio įtampos stiprinimo koeficientas lygus: Taigi, prijungus prie dvipolio tranzistoriaus apkrovos varža lygią 152 Ω matome, kad įtampa išėjime yra beveik 57 kartų didesnė už įtampą įėjime. Įtampos stiprinimo koeficientą galima rasti ir pagal antrą skaičiavimo būdą. Naudosime tokias formules: ; ; taigi Iš užduoties nr.: 3: , UBEm = 55 mV = 55 · 10-3 V Tada: ; Išvados: Kai tranzistorius įjungtas pagal bendrą emiterio schemą, jo kintamosios srovės perdavimo koeficientas yra diferencialinis bazės srovės perdavimo koeficientas β. Kadangi β>>1 ir be to, apkrovos varža didesnė už tranzistoriaus įėjimo varžą, tai grandinėje galimas didelis kintamosios įtampos stiprinimas. Šiuo atveju, prie dvipolio tranzistoriaus prijungus 152 Ω apkrovos varžą, žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientas KU = 57, t.y. tranzistoriaus išėjime įtampa yra beveik 57 kartų didesnė nei įėjime. 3. Lauko tranzistoriaus parametrų skaičiavimas ir ekvivalentinės schemos sudarymas Lauko ( arba vienpolius ) tranzistorius – tai toks tranzistorius, kuriame srovę sukuria specialiai sudaryto kanalo pagrindiniai krūvininkai. Srovę valdo statmenas srovės krypčiai elektrinis laukas. Lauko tranzistoriaus n arba p kanalo (angl. – channel) gale sudaromi du elektrodai. Elektrodas, per kuri į kanalą patenka pagrindiniai krūvininkai, vadinamas ištaka (source). Elektrodas, per kuri pagrindiniai krūvininkai išteka, vadinamas santaka (drain). Kanale tekančią srovę valdo trečiojo tranzistoriaus elektrodo – užtūros (gate) – įtampa. Pagal užtūros tipą lauko tranzistoriai skirstomi i lauko tranzistorius su valdančiosiomis pn sandūromis (sandūrinius lauko tranzistorius) ir lauko tranzistorius su izoliuotąja užtūra. Pastarieji tranzistoriai yra MDP arba MOP tranzistoriai. MDP tranzistoriai būna su indukuotuoju kanalu arba su įterptuoju (pradiniu) kanalu. Pradiniai duomenys: 3.1 pav. pateiktos lauko tranzistoriaus charakteristikos. Tranzistoriaus darbo taškas: UUI =0,5V, USI = 8 V. 3.1 pav. Lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikos 3.1. Nubraižyti lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikas kai USI = 4 , 8 , 14  V Lauko tranzistoriaus santakos srovės priklausomybės nuo įtampų nusakomos jo perdavimo ir išėjimo charakteristikosmis. Perdavimo charakteristika yra santakos srovės priklausomybė nuo įtampos UUI. Ji vaizduoja kaip tranzistoriaus santakos srovė priklauso nuo įėjimo įtampos. Kreivių parametras yra išėjimo įtampa USI. Norėdami nubraižyti lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikas, sudarome įtampų ir srovių reikšmių lentelę. Skaitines vertes randame iš lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikų (3.1 pav): 2 lentelė. Perdavimo charakteristikos reikšmių lentelė. USI (V) USI (V) USI (V) 4 8 14 IS(mA) UUI (V) IS(mA) UUI (V) IS(mA) UUI (V) 15,8 0 16,5 0 17,2 0 10,9 0,5 11,2 0,5 11,5 0,5 6,8 1 6,8 1 7,1 1 3,4 1,5 3,4 1,5 3,5 1,5 0,8 2 0,8 2 0,9 2 Naudodamiesi 2 lentelės duomenimis ir Microsoft Exel programa, nubraižome lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikas (3.2 pav.), kai USI = 4 , 8 , 14  V. 3.2 pav. Lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikos Išvados: Naudodamiesi lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristika, nubraižėme lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristiką, tai yra santakos srovės IS priklausomybę nuo užtūros įtampos UUI. Silpnų virpesių stiprintuvų grandinėse sudaromos sandūrinių lauko tranzistorių soties veikos sąlygos. Tada santakos srovė priklauso tik nuo įėjimo įtampos. Esant soties režimui, išėjimo charakteristikoje nežymus srovės IS stiprėjimas kylant įtampai USI, paaiškinamas tuo, kad pasiekus sotį, dėl sandūrų plėtimosi trumpėja kanalas ir mažėja jo varža. 3.2 Apskaičiuoti lauko tranzistoriaus parametrus nurodytame darbo taške. Pagrindiniai lauko tranzistoriaus parametrai yra perdavimo charakteristikos statumas S arba gm ir išėjimo (vidinė) varža ro. Vienpolio tranzistoriaus parametrus galima rasti iš jo perdavimo arba išėjimo charakteristikų. 3.2.1 Tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumas S arba gm Statumas apskaičiuojamas pagal formulę: (vietoj diferencialų nagrinėjame srovės IS ir įtampų UUI ir USI pokyčiai duotojo darbo taško aplinkoje) Lauko tranzistoriaus statumui apskaičiuoti naudojame perdavimo charakteristiką: 3.3 pav. Lauko tranzistoriaus statumo gm skaičiavimas iš perdavimo charakteristikos Nurodyto darbo taško Q aplinkoje šis parametras skaičiuojamas pagal formulę: Pagal 3.3 pav. darbo taške Q lauko tranzistoriaus statumas S lygus: 3.2.2 Tranzistoriaus išėjimo varža r0 apskaičiuojama pagal formulę: (vietoj diferencialų nagrinėjami srovės IS ir įtampų USI ir UUI pokyčiai duotojo darbo taško aplinkoje) 3.4 pav. Lauko tranzistoriaus vidinės varžos Ri skaičiavimas iš išėjimo charakteristikų Lauko tranzistoriaus vidiniai varžai apskaičiuoti naudosiu išėjimo charakteristikas: Pagal 3.4 pav. darbo taške Q lauko tranzistoriaus vidine varža statumas Ri lygi: Išvados: Įjungto pagal bendrosios ištakos schemą lauko tranzistoriaus įėjimo varža labai didelė, o įėjimo srovė labai silpna. Duotajame darbo taške, lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumas yra gm=10 mA/V, o išėjimo varža 13,33 kΩ. Norint padidinti statumą ir gauti didesnį stiprintuvo stiprinimo koeficientą, tranzistoriaus darbo tašką reikia parinkti taip, kad santakos srovė būtų didesnė. 3.3. Sudaryti lauko tranzistoriaus ekvivalentinės grandinės schemą 3.5 pav. Lauko tranzistoriaus ekvivalentinė schema Išvados: Žemųjų dažnių srityje lauko tranzistorių galima pakeisti jo ekvivalentine grandine, sudaryta iš įėjimo įtampos UUI valdymo srovės gmUUI šaltinio ir lygiagrečiai su juo prijungtos tranzistoriaus išėjimo varžos r0. Aukštųjų dažnių srityje ekvivalentinės grandinės schemą reikia papildyti tranzistoriaus parazitinėmis talpomis. Tada ji įgyja Π pavidalą. 3.4. Apskaičiuoti fT, kai C11= 2 pF ir C12= 4 pF Dažnis, kuriam esant lauko tranzistorius nustoja stiprinti srovę, kaip ir dvipolių tranzistorių atveju, žymimas fT. Šį dažnį apskaičiuosime pagal formulę: C11 – įėjimo talpa, kai tranzistoriaus išėjimo grandinėje sudarytos trumpojo jungimo sąlygos, C12 – pereinamoji talpa. C22 – išėjimo talpa, kai įėjimo grandinėje sudarytos trumpojo jungimo sąlygos. Kadangi gm = S, CUS = C12 = 4 pF, CUI = C11 – C12 tai turime: Išvados: Lauko tranzistoriaus dažnines savybes lemia jo talpų CUS ir CUI perkrovimo procesas. Perkrovos srovę riboja kanalo varža 1/gm. Tranzistoriaus dažnines savybes lemia laiko konstanta, kuri yra lygi krūvininkų lėkio kanale trukmei. Siekiant padidinti fT, o taip pat pagerinti tranzistoriaus dažnines savybes, reikia trumpinti kanalo ilgį ir didinti krūvivinkų judrumą. Duotuoju atveju, srovės stiprinimo koeficientas sumažėja iki 1, kai dažnis pasiekia 796,2 MHz. 3.5. Apskaičiuosime kintamąją išėjimo srovės dedamąją, kai kintamosios įėjimo įtampos amplitudė yra 20 mV Kintamoji išėjimo srovė apskaičiuojame pagal formulę: ISm = gmUUIm + g0USIm; Čia g0 – išėjimo laidumas. USIm=0 Kadangi kintamosios įtampos amplitudė lygi 20mV , t.y. UUIm=20 mV, tai: ISm = gmUUIm = 10 ∙ 10 -3 ∙ 20 ∙ 10 -3 =200 ∙ 10 -6 = 200 μA. Išvados: Nagrinėdami lauko tranzistorių kaip tiesinį aktyvujį keturpolį, vietoje įtampų ir srovės pokyčių galime nagrinėti įtampų ir srovių kintamąsias dedamąsias. Prijungus 20 mV amplitudės kintamąją įtampą, tranzistoriaus išėjimo srovės dedamoji bus lygi 200 μA. 3.6. Rasime žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientą, kai apkrovos varža lygi 501 Ω Įtampos stiprinimo koeficientą apskaičiuojame pagal formulę: Įtampos stiprinimo koeficientui apskaičiuoti pasinaudosime 3.5. užduoties duomenimis: Apkrovos varža lygi 501 Ω, t.y. Ra= 501 Ω ; Išėjimo srovė ( iš užduoties 3.5. ) ISm= 200 μA; Išėjimo įtampą UIšm UIšm = RaISm; Įėjimo įtampa UINm ( iš užduoties 3.5. ) UINm = 20 mV ; Tada žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientas lygus: Išvados: Prijungus prie lauko tranzistoriaus 501 Ω apkrovos varžą, žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientas KU  lygus 5,01, t.y. lauko tranzistoriaus išėjimo įtampa yra 5,01 karto didesnė nei įėjimo įtampa. Iš gautos stiprinimo koeficiento formules matome, jog didėjant lauko tranzistorius apkrovos varžai, didėja ir įtampos stiprinimas. 4. Akustinės elektronikos įtaiso projektavimas Mažame puslaidininkiniame integriniame grandyne telpa daug elementų. Pagrindiniai puslaidininkinio integrinio grandyno (IG) elementai – tai tranzistoriai, diodai, rezistoriai, nedidelės talpos kondensatoriai. Induktyvumo elementus integruoti į puslaidininkinius IG sunku. Kai buvo sukurti puslaidininkiniai IG, iškilo filtrų, vėlinimo linijų ir kitų elektroninės aparatūros komponentų, kuriems reikėjo induktyvumo elementų, miniatiūrizavimo problema. Sprendžiant šią problemą susiformavo nauja funkcinės elektronikos kryptis – akustinė elektronika. Akustinė elektronika yra viena iš funkcinės elektronikos krypčių. Funkcinės elektronikos įtaisuose informacija apdorojama remiantis ne tradiciniais schemotechniniai sprendimais, o naujai atskleistais fizikiniais reiškiniais. Akustinės elektronikos įtaisuose signalams apdoroti panaudojami akustiniai virpesiai ir bangos. Paviršinių akustinių bangų elektriniai filtrai dažniausiai būna sudaromi pagal schemą įėjimo keitiklis – garsolaidis – išėjimo keitiklis. (4.1 pav.). Filtro dažnines savybes lemia keitikliai. Keitiklyje susižadina dvi priešingomis kryptimis sklindančios paviršinės akustinės bangos. Parinkus tinkamą keitiklio impulsinės charakteristikos gaubtinės formą (taikant svertį), galima pagerinti selektyvumą – sumažinti slopinimą pralei­džiamųjų dažnių juostoje ir padidinti slopinimą už jos ribų. Jeigu reikalingas labai didelis selektyvumas (

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!