Terminės difuzijos proceso tyrimas, tranzistorių ekvivalentinių grandinių schemų sudarymas ir akustoelektroninio įtaiso projektavimas

 ĮVADAS Elektronika – mokslo ir technikos šaka, tirianti ir pritaikanti praktikoje elektros krūvininkų (elektronų, skylių ir jonų) judėjimo reiškinius, vykstančius vakuume, dujose ir kietuosiuose kūnuose. Šie reiškiniai taikomi įvairiuose elektroniniuose prietaisuose, ypač puslaidininkiuose ir elektroninėse lempose. Elektronika nagrinėja elektroninių prietaisų veikimo teoriją, jų savybes, konstrukciją, technologiją bei šių prietaisų taikymą mokslo ir technikos srityse. XXa. šeštojo dešimtmečio pabaigoje susiformavo nauja elektronikos šaka – mikroelektronika, tirianti, kurianti ir gaminanti kompaktiškas, patikimas ir ekonomiškas integrines mikroschemas. Pastaruoju metu elektroninė aparatūra plačiai taikoma visose žmogaus veiklos srityse. Ji tampa vis sudėtingesnė, atlieka vis įvairesnes funkcijas. Sukūrus planarinę diskretinių tranzistorių gamybos technologiją, atsirado galimybės realizuoti grupinius tranzistorių gamybos metodus – apdorojant vieną puslaidininkinę plokštelę, gaminti didelį tranzistorių skaičių. Be to susidarė prielaidos sukurti puslaidininkinę integrinius grandynus (IG) Elektroniniuose įrenginiuose IG yra pagrindinis vientisas nedalomas elementas toks, koks įprastinėje technikoje yra rezistorius, kondensatorius arba tranzistorius. IG susideda iš elementų ir komponetų. IG elementu vadinama grandyno dalis, kuri atlieka puslaidininkio elemento (diodo, tranzistoriaus), kondensatoriaus ir t. t. funkciją ir konstruktyviai neatskiriama nuo IG. Integracija – tai dalių, elementų jungimas į visumą. Konstrukcinė integracija pasireiškia tuo, kad visi elektrinės schemos elementai integralinėje schemoje sudaro nedalomą visumą. Technologinės integracijos esmę sudaro tai, kad integralinių schemų gamyboje taikomi grupiniai gamybos metodai. Vienas iš didžiausių IG privalumų yra tas, jog integrinių grandynų gamyboje taikomi naujausi skirtingų mokslo šakų (fizika, chemija, biologija, mechanika ir kt.) laimėjimai, taip sudarant galimybes plėtoti IG galimybes ir panaudojimo vietas. Vienas iš pagrindinių integriniame grandyne naudojamų elementų yra tranzistorius. Tai yra elektronikoje naudojamas puslaidininkinis įtaisas, paprastai naudojamas signalams sustiprinti ar nukreipti. Tranzistorius atsirado 1947 m. gruodžio 16 d. po vieno sėkmingo Johno Bardeeno ir Williamo Brataino atsitiktinio bandymo. Nuo to laiko, tranzistorių technologijos plėtojimas leido pasiekti nanometrinius dydžius ir puikias charakteristikas, o šiuo metu tranzistorius yra pagrindinis IG elementas, be kurio yra neįsivaizduojamas nei vienas prietaisas. Taip pat viena svarbiausių elektronikos grandžių yra filtrai. Pastaruoju metu vis labiau populiarėja paviršinių akustinių bangų (PAB) filtrai. PAB filtrai įgijo pripažinimą dėl jų gerų selektyviųjų savybių bei mažų gabaritų, kas ypač svarbu taikant juos integriniuose grandynuose. Šiame darbe ištirsime terminės difuzijos procesus, atliksime dvipolio tranzistoriaus parametrų skaičiavimą ir ekvivalentinės grandinės schemos sudarymą, lauko tranzistoriaus parametrų skaičiavimą ir ekvivalentinės grandinės schemos sudarymą, PAB filtro projektavimą, pagilinsime puslaidininkinės ir funkcinės elektronikos srities žinias. 1. Terminės 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. Priemaišų difuzija vykdoma legiruojančių priemaišų aplinkoje, 800-1250 ̊C temperatūroje. Difuzijos būdu įterpus į puslaidininkio sluoksnį priemaišų, galima pakeisti to sluoksnio laidumo tipą arba sudaryti kitokio laidumo sritis. 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 (1 pav.). Tikimiausias yra priemaišų skverbimasis per vakancijas. 1 pav. Priemaišos atomų skverbimasis per vakansijas (a), tarpmazgius (b) ir pasikeičiant vietomis su kitais atomais (c) Difuzijos proceso greitis yra išreiškiamas difuzijos koeficientu D. , kur – proporcingumo koeficientas; – difuzijos proceso akty­vacijos energija; – Bolcmano konstanta; – difuzijos proceso temperatūra. Vykstant difuzijai iš begalinio šaltinio, priemaišų koncentracija kristalo paviršiuje 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, 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: , kur erfc- papildoma paklaidų funkcija, išreiškiama formule: ; Įstačius erfc reikšmę į N(x,t) formulę gauname: Priemaišos koncentracijos pasiskirstymą lemia difuzijos koeficientas, difuzijos temperatūra ir difuzijos proceso trukmė . 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: ; Į aukščiau esančią formulę įrašę priemaišos pasiskirstymo išraišką, gauname: ; Iš šios formulės galima nustatyti kaip priemaišų įterpimo etape kinta priemaišos srauto tankis. Suintegravę priemaišos atomų srautą per vienetinio ploto padėklo paviršių, gauname legiravimo dozės priklausomybę nuo laiko: 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: , kur D‘ – priemaišos difuzijos koeficientas priemaišų perskirstymo etape; t‘ – šio etapo trukmė; Q – legiravimo dozė; x – koordinatė. Priemaišų įterpimo iš begalinio šaltinio pasiskirstymas apskaičiuojamas pagal formulę: ; čia D - difuzijos koeficientas; t – įterpimo proceso trukmė; N0 - priemaišų koncentracija bandinio paviršiuje. Priemaišų pasiskirstymas po įterpimo etapo skaičiuojamas pagal formulę: ; čia Q – legiravimo dozė; D - difuzijos koeficientas; t - proceso trukmė; x - koordinatė. 1.1. Priemaišų pasiskirstymas po priemaišų įterpimo etapo. 1 lentelė. Pradiniai duomenys. Difuzijos koeficientas (cm2/s) 1,4·10-13 Proceso trukmė (min) 11; 14; 17 Pirmame difuzijos etape laikoma, kad priemaišų įterpimas vyksta iš begalinio šaltinio. Todėl, priemaišų pasiskirstymas apskaičiuojamas pagal formulę: , kur D – difuzijos koeficientas (cm2/s); t – laikas (min); N0 – priemaišų koncentracija bandinio paviršiuje; x – koordinatė; Wa – difuzijos proceso aktyvacijos energija (eV); k ­– Bolcmano konstanta; T – difuzijos proceso temperatūra. Turėdami pradinius duomenis, ir naudodami matematinio modeliavimo programinį paketą „Matlab R2009b“ gauname tokį priemaišų pasiskirstymą po priemaišų įterpimo etapo: 2 pav. Priemaišų pasiskirstymas, kai difuzija vyksta iš begalinio šaltinio. Išvados: 2 pav. paveiksle matome, kad, vykstant difuzijai iš begalinio šaltinio, ilgėjant difuzijos laikui, koncentracija koordinatės didėjimo kryptimi didėja. Ilgėjant difuzijos proceso trukmei, priemaišų koncentracija, plokštelės gilumoje, artėja prie priemaišų koncentracijos plokštelės viršuje, tokiu atveju priemaišų koncentracija pastovi viso bandinio skerspjūvyje, grafikas tampa lygiagretus ordinačių ašiai. 1.2. Priemaišos srauto tankio ir legiravimo dozės kitimas priemaišų įterpimo etape. 2 lentelė. Pradiniai duomenys: Difuzijos koeficientas (cm2/s) 1,4·10-13 Priemaišų koncentracija (1/cm3) 2,3·1020 Nuo difuzijos proceso temperatūros ir trukmės priklauso legiravimo dozė – skaičius priemaišos atomų, perėjusių per vienetinį padėklo paviršiaus plotą per difuzijos laiką . Žinodami , galime rasti difuzijos srauto tankį. Taikydami pirmąjį Fiko dėsnį ir pertvarkę formules, galime rašyti: ; Iš šios formulės galima nustatyti kaip priemaišų įterpimo etape kinta priemaišos srauto tankis: 3 pav. Difuzinio srauto tankio priklausomybė nuo t Suintegravę priemaišos atomų srautą per vienetinio ploto padėklo paviršių, gauname legiravimo dozę: ; Iš šios formulės nubraižome legiravimo dozės kitimą: 4 pav. Legiravimo dozės priklausomybė nuo t Išvados: Iš gautų priemaišų legiravimo dozės Q ir priemaišų srauto tankio J priklausomybių matyti, kad laikui bėgant difuzinio srauto tankis mažėja. Tai vyksta dėl plokštelėje esančių vakansijų, per kurias priemaišos skverbiasi į plokštelę. Taip pat matome, kad laikui bėgant, legiravimo dozė didėja. To priežąstis - didėjantis prasiskverbiančių į puslaidininkio plokštelę priemaišų skaičius. Tuomet mažėja laisvų vakansijų, todėl mažėja ir atomų, prasiskverbiančių į plokštelę per tam tikrą laiko tarpą. 1.3. Priemaišų pasiskirstymas po priemaišų perskirstymo etapo. 3 lentelė. Pradiniai duomenys Difuzijos koeficientas (cm2/s) 2,2·10-13 Proceso trukmė (min) 81, 52, 14 Legiravimo dozė (1/cm2) 1,21013 Priemaišų pasiskirstymas po įterpimo etapo, skaičiuojamas kai priemaišų difuzija vykdoma iš riboto šaltinio. Naujos priemaišos neįterpiamos, o perskirstomos jau esančios. Šis priemaišų pasiskirstymas skaičiuojamas pagal formulę: , kur D‘ – priemaišos difuzijos koeficientas priemaišų perskirstymo etape; t‘ – šio etapo trukmė; Q – legiravimo dozė; x – koordinatė 5 pav. Priemaišų pasiskirstymo profiliai, kai difuzijos šaltinis ribotas Išvados: Priemaišų perskirstymas yra antrasis difuzijos etapas, kuris apskaičiuojamas pagal priemaišų įterpimo iš riboto šaltinio modelį. Prie plokštelės paviršiaus priemaišų koncentracija mažėja, o gilumoje – auga, nes iš plokštelės paviršiaus, priemaišos difunduoja koordinatės didėjimo kryptimi. Priemaišų atomai pro padėklo paviršių neprasiskverbia ir legiravimo dozė nekinta, todėl grafike matomų kreivių plotas nekinta ir nepriklauso nuo laiko. Iš grafiko matyti, kad mažėjant laikui t1 > t2 > t3 priemaišų koncentracija koordinatės didėjimo kryptimi mažėja. 1.4. Priemaišų pasiskirstymas tranzistoriuje, formuojamame dvikartės difuzijos būdu. Pradinė priemaišų koncentracija (1/cm3): 2,3 1020 4 lentelė. Pradiniai parametrai Įterpimo stadija Perskirstymo stadija Įterpimo stadija Priemaišų koncentracija (1/cm3) 2,81019 - 21021 Nominali temperatūra (°C) 1000 1000 1000 Aktyvacijos energija (eV) 3,4 3,8 3,6 Difuzijos koeficientas (cm2/s) 2,410-13 3,710-13 2,810-13 Stadijos trukmė (min.) 28 76 45 Faktinė temperatūra (0C) 944 1070 516 Priemaišų įterpimo iš begalinio šaltinio pasiskirstymas apskaičiuojamas pagal formulę: ; čia D - difuzijos koeficientas; t – įterpimo proceso trukmė; N0 - priemaišų koncentracija bandinio paviršiuje. Priemaišų pasiskirstymas po įterpimo etapo skaičiuojamas pagal formulę: ;čia Q – legiravimo dozė; D - difuzijos koeficientas; t - proceso trukmė; x - koordinatė. Atlikę skaičiavimus su “MATLAB 2009b” programiniu paketu gavome tokią grafinę charakteristiką: 6 pav Priemaišų pasiskirstymas tranzistoriuje, formuojamame dvikartės difuzijos būdu Išvados : Iš gauto priemaišų pasiskirstymo tranzistoriuje grafiko matosi, jog pagal tokį režimą buvo suformuotas platus kolektorius, vidutinė bazė ir siauras emiteris. Tranzistoriaus bazėje pagrindiniai krūvininkai pasislenka koncentracijos mažėjimo kryptimi. Taip bazėje susikuria vidinis elektrinis laukas, kuris veikia injektuotus iš emiterio į bazę šalutinius krūvininkus. Tuomet bazėje vyksta krūvininkų dreifas greitinančiame elektriniame lauke, dėl to tranzistorius įgauna geresnes dažnines savybes. Emiterio priemaišų koncentracija yra vienoda per visą koordinatę. 2. Dvipolio tranzistoriaus parametrų skaičiavimas ir ekvivalentinės grandinės schemos sudarymas Tranzistoriaus IB = 0,14 mA, UCE = 8 V, fT = 0,8 GHz; 7 pav. Dvipolio tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo charakteristikos 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. 8 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. Išaugus kolektoriaus įtampai, kolektoriaus srovė ima sparčiai stiprėti dėl kolektoriaus sandūros pramušimo. Tranzistoriaus, įjungto pagal bendrojo emiterio schemą, įėjimo srovė – tai bazės srovė. Ji yra daug silpnesnė už emiterio srovę. Taip pat, kadangi tuo atveju, kai , veikiant įėjimo įtampai, tranzistorius yra soties būsenoje, jo abi sandūros yra atviros, tai didėjant išėjimo įtampai, įėjimo srovė ne stiprėja, o silpnėja. Tada bazės srovė lygi emiterio ir kolektoriaus srovių sumai. Pakilus įtampai ir viršijus įėjimo įtampą , kolektoriaus sandūroje pradeda veikti atgalinė įtampa. Toliau augant išėjimo įtampai , bazės srovė nežymiai silpnėja tik todėl, kad plečiasi kolektoriaus sandūra, plonėja bazė ir silpnėja rekombinacinė srovė, kuri, yra viena iš bazės srovės dedamųjų. Įjungto pagal bendrojo emiterio schemą tranzistoriaus išėjimo charakteristikų parametras yra įėjimo srovė . Stipresnę įėjimo srovę atitinka stipresnė išėjimo srovė. 2.1. Dvipolio tranzistoriaus h parametrų radimas: Tranzistoriaus parametras atitinka įėjimo varžą. randame iš dvipolio tranzistoriaus įėjimo charakteristikos 9 pav. Dvipolio tranzistoriaus parametro h11E skaičiavimas iš įėjimo charakteristikų Darbo taško aplinkoje tranzistoriaus įėjimo varža bus apskaičiuojama taip: Įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas randamas iš dvipolio tranzistoriaus įėjimo charakteristikos: 10 pav. Dvipolio tranzistoriaus parametro h12E skaičiavimas iš įėjimo charakteristikų. Darbo taško aplinkoje tranzistoriaus įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas bus apskaičiuojamas taip: Srovės perdavimo koeficientas randamas iš dvipolio tranzistoriaus išėjimo charakteristikos: 11 pav. Dvipolio tranzistoriaus parametro h21E skaičiavimas iš išėjimo charakteristikų. Darbo taško aplinkoje tranzistoriaus srovės perdavimo koeficientas bus apskaičiuojamas taip: Išėjimo laidumas randamas iš dvipolio tranzistoriaus išėjimo charakteristkos: 12 pav. Dvipolio tranzistoriaus parametro h22E skaičiavimas iš išėjimo charakteristikų Darbo taško aplinkoje tranzistoriaus išėjimo laidumas bus apskaičiuojamas taip: Iš tranzistoriaus išėjimo laidžio randame išėjimo varžą: Išvados: Parametrai ir randami iš įėjimo charakteristikų šeimos, o parametrai ir randami iš išėjimo charakteristikų. Būtent šie parametrai yra pasirenkami todėl, kad kai kuriuos g ir r parametrus apskaičiuoti yra labai sudėtinga. Įjungto pagal bendrojo emiterio schemą tranzistoriaus įėjimo varža būna apie kiloomą, įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas - 10-4 – 10-3, srovės stiprinimo koeficientas =β nuo 20 iki 500, išėjimo varža 1/h22 – vienetų ir dešimčių kiloomų eilės. Iš tranzistoriaus charakteristikų apskaičiavome šiuos parametrus: h11E = 384Ω; h12E = 2, 625 ∙10-3; h21E = 161,25; 1/h22E = 53kΩ. 2.2 Tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinės grandinės schemos sudarymas, jos elementų parametrų radimas Dvipoliai tranzistoriai, įjungti pagal bendro emiterio schemą, gali būti modeliuojami П pavidalo ekvivalentinėmis grandinėmis. Sudarome pavidalo ekvivalentinės grandinės schemą: 13 pav. Dvipolio tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinės grandinės schema Ekvivalentinės grandinės parametrai skaičiuojami pagal šias formules: Nurodyto darbo taško IkQ: IkQ = h21E∙IBQ=161,25∙0,14∙10-3=22,6 mA. Tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumas gm: kai T=300 K, tai kT/q0,025 V. Tada ; Varža : Tada . Išėjimo varža r0 : Bazės varža rB* : Talpa Cᴨ: Kai tranzistoriaus išėjime sudarytos trumpojo jungimo pagal kintamąją srovę sąlygos (), gauname: , kur – kintamosios įtampos kritimas varžoje . Kai grandinės išėjime sudarytas trumpasis jungimas, įėjimo srovė teka per lygiagrečiai sujungtus elementus , ir , todėl . Tuomet , o iš čia . Taigi ir Išvados: Sudarėme П pavidalo ekvivalentinę grandinę, kurios parametrus skaičiuojant naudojomės tranzistoriaus h parametrais. Pagrindiniai schemos parametrai yra perdavimo charakteristikos statumas gm, varža rπ, išėjimo varža r0 ir bazės varža rB*. Aukštuose dažniuose pasireiškia tranzistoriaus parazitinės talpos Cμ ir Cπ, kur Cμ atitinka talpą tarp kolektoriaus ir bazės sričių. Pagal h parametrus apskaičiuotos П pavidalo ekvivalentinės tranzistoriaus schemos parametrai: ; ; ; ; . 2.3. Išėjimo srovės kintamosios dedamosios skaičiavimas, kai kintamoji įėjimo įtampa yra 66 mV Kai tranzistoriaus išėjime sudarytos trumpojo jungimo sąlygos pagal kintamą įėjimo įtampą, 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, kuri priklauso nuo įėjimo varžos, rᴨ varžos, kintamos įtampos ir tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumo. Kai kintamosios įtampos vertė lygi 66 mV, tai tranzistoriaus išėjimo srovės kintamoji dedamoji bus lygi 27,67 mA . 2.4. Žemo dažnio įtampos stiprinimo koeficiento radimas, kai apkrovos varža lygi 848 Ω Žemo dažnio įtampos stiprinimo koeficientas parodo kiek kartų įtampos išėjime reikšmė yra didesnė už įtampos įėjime reikšmę, ir skaičiuojamas pagal šią formulę: Kai Ra = 848 Ω, β=h21E = 161,25, tai žemo dažnio įtampos stiprinimo koeficientas lygus: Išvados: Kai tranzistorius įjungtas pagal bendro emiterio schemą, jo kintamosios srovės perdavimo koeficientas yra diferencialinis bazės srovės perdavimo koeficientas β. Kai β reikšmė yra daug didesnė už 1, tai apkrovos varžai Ra esant didesnei už įėjimo varžą h11E, grandinėje vyks didelis kintamos įtampos stiprinimas. Mano nagrinėtu atveju apkrovos varžai esant 848 Ω, įėjimo varžai esant 348,62 Ω ir srovės perdavimo koeficientui esant 0,903, žemo dažnio įtampos stiprinimo koeficientas gavosi KU = 355,5, o tai reiškia, kad įtampos reikšmė išėjime yra 355,5 karto stipresnė, nei įėjime. 3. Lauko tranzistoriaus parametrų skaičiavimas ir ekvivalentinės schemos sudarymas Pradiniai duomenys: UGS=1V, UDS = 17 V. Lauko ( arba vienpolis ) 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 gale sudaromi du elektrodai. Elektrodas, per kuri į kanalą patenka pagrindiniai krūvininkai, vadinamas ištaka, o tas, per kuri pagrindiniai krūvininkai išteka, vadinamas santaka. Kanale tekančią srovę valdo trečiojo tranzistoriaus elektrodo – užtūros įtampa. Pagal užtūros tipą lauko tranzistoriai skirstomi i lauko tranzistorius su valdančiosiomis pn sandūromis ir lauko tranzistorius su izoliuotąja užtūra. Pastarieji tranzistoriai yra MDP arba MOP tranzistoriai. MDP tranzistoriai būna su indukuotuoju kanalu arba su įterptuoju (pradiniu) kanalu. Pagrindiniai lauko tranzistoriaus parametrai yra perdavimo charakteristikos statumas S arba gm ir išėjimo (vidinė) varža ro. 14 pav. Lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikos 3.1. Lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikos, kai UDS = 9, 11, 13 V Norėdami nubraižyti lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikas iš lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikų sudarome įtampų ir srovių reikšmių lentelę: 5 lentelė. Perdavimo charakteristikos reikšmių lentelė. UDS (V) UDS (V) UDS (V) 9 11 13 ID(mA) UGS (V) ID(mA) UGS (V) ID(mA) UGS (V) 16,5 0 16,8 0 17 0 11,2 0,5 11,3 0,5 11,4 0,5 6,9 1 7 1 7,1 1 3,5 1,5 3,6 1,5 3,7 1,5 0,8 2 0,9 2 1 2 15 pav. Lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikos. Išvados : Pagal ID priklausomybės nuo UDS lauko tranzistoriaus charakteristiką nubraižėme perdavimo charakteristikas esant skirtingoms UDS vertėms. Kylant šiai įtampai, srovė ID kyla visai nedaug, kadangi kol tranzistorius veikia tiesiniu režimu, jo santakos srovė priklauso nuo užtūros ir santakos įtampų, o esant soties rėžimui, santakos srovė priklauso nuo užtūros įtampos, siaurėja kanalas ir mažėja jo varža. 3.2. Lauko tranzistoriaus parametrų skaičiavimas darbo taške Tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumas gm : Lauko tranzistoriaus statumui rasti nubraižome perdavimo charakteristiką, kai UDS=17V: 16pav. Lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristika, kai UDS=17V Nurodyto darbo taško Q aplinkoje šis parametras skaičiuojamas pagal formulę: 17 pav. Lauko tranzistoriaus vidinės varžos Ri skaičiavimas iš išėjimo charakteristikų. Lauko tranzistoriaus vidinė varža Ri darbo taškę Q bus apskaičiuojama pagal 17 pav. Išvados: Įjungto pagal bendrosios ištakos schemą lauko tranzistoriaus įėjimo varža labai didelė, o įėjimo srovė labai silpna. Iš išėjimo charakteristikų matome, jog mažas įtampos UGS pokytis atitinkamai keičia srovės stiprumą, tačiau didėjant UDS, srovė ID beveik nekinta. Taip pat, didinant santakos srovę, kartu didėja ir charakteristikų statumas, bei stiprinimo koeficientas. Duotajame darbo taške, lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumas yra gm=7,8mA/V, o vidinė varža 40 kΩ. 3.3 Lauko tranzistoriaus ekvivalentinės grandinės schema 18 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 Ri. Aukštų dažnių srityje ekvivalentinės grandinės schemą reikia papildyti tranzistoriaus parazitinėmis talpomis. Tada ji įgyja Π pavidalą. 3.4. fT skaičiavimas, kai C11= 3 pF ir C12= 7 pF Dažnis, kuriam esant lauko tranzistorius nustoja stiprinti srovę, kaip ir dvipolių tranzistorių atveju, žymimas fT ir yra apskaičiuojamas taip: 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, CDS = C12 = 8 pF, CGS = C11 – C12 , tai turime: Išvados: Lauko tranzistoriaus dažnines savybes lemia jo talpų CDS ir CGS 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 413,8 MHz. 3.5. Kintamos išėjimo srovės dedamosios skaičiavimas, kai kintamosios įėjimo įtampos amplitudė yra 201 mV Kintamoji išėjimo srovė skaičiuojama pagal formulę: IDm = gmUGSm + g0UDSm, kur g0 – išėjimo laidumas. Kai UDSm=0 ir kintamosios įtampos amplitudė UGSm lygi 201 mV, tai: IDm = gmUGSm = 7,8 ∙ 10 -3 ∙ 0,201 =1,58 ∙ 10 -3 = 1,57 mA. Išvados: Prijungus 201 mV amplitudės kintamąją įtampą prie lauko tranzistoriaus, nagrinėjamo kaip tiesaus aktyvaus keturpolio, tranzistoriaus išėjimo srovės dedamoji bus lygi 1,57 mA. Čia vietoje įtampų ir srovių pokyčių nagrinėjame įtampų ir srovių kintamas dedamasias. 3.6. Žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficiento radimas, kai apkrovos varža lygi 813 Ω Įtampos stiprinimo koeficientą apskaičiuojame pagal formulę:. Įtampos stiprinimo koeficientui apskaičiuoti pasinaudosime 3 užduoties duomenimis: Ra= 813 Ω ; IDm= 1,57 mA; UDSm = RaISm; UGSm = 201 mV ; Tada žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientas lygus: Išvados: Žemų dažnių koeficientas KU parodo, kiek kartų lauko tranzistoriaus išėjimo įtampa sustiprėja palyginus su įėjimo įtampa. Prijungus prie lauko tranzistoriaus 813 Ω apkrovos varžą, lauko tranzistoriaus išėjimo įtampa tampa 6,34 karto didesnė nei įėjimo įtampa. Iš gautos stiprinimo koeficiento formules matome, jog didėjant lauko tranzistorius apkrovos varžai bei išėjimo srovės dedamajai, didėja ir įtampos stiprinimas. 4. Akustinės elektronikos įtaiso projektavimas Mažame puslaidininkiniame IG telpa daug elementų. Pagrindiniai puslaidininkinio 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. Šiuolaikiniuose akustinės elektronikos įtaisuose panau­dojamos paviršinės akustinės bangos, kurios yra pranašesnės už tūrines akustines bangas. Tūrinių akustinių bangų filtrų ir vėlinimo linijų rezonatorių ir garsolaidžių gamyba gana sudėtinga – reikalingas didelis mechaninio apdorojimo tikslumas. Kadangi rezonatorių ir garsolaidžių matmenys maži, net labai nedidelės absoliutinės jų gamybos paklaidos labai atsiliepia rezonatorių rezonansiniams dažniams arba vėlinimo linijų vėlinimo laikui. Tuo nesunku įsitikinti pažvelgus į rezonansinių dažnių arba vėlinimo laiko išraiškas. Be to, tūrinių akustinių bangų filtrų ir vėlinimo linijų darbo dažnių diapazonas yra ribotas. Jo viršutinė riba – 100–200 MHz. Tobulesni yra paviršinių akustinių bangų filtrai ir vėlinimo linijos. Juos galima gaminti taikant plonasluoksnes technologijas. Be to, jų dažnių diapazono viršutinė riba yra daug aukštesnė – iki keleto gigahercų. Užduotyje pabandysime suprojektuoti vieną iš akustinės elektronikos elementų PAB filtrą Elektriniams virpesiams pakeisti į mechaninius ir mechaniniams virpesiams pakeisti į elektrinius paviršinių akustinių bangų įtaisuose dažniausiai naudojami dvifaziai elektrodiniai pjezoelektriniai keitikliai. Keitimas vyksta efektyviausiai, kai paviršinės akustinės bangos ilgis lygus keitiklio periodui p. Jeigu ši akustinio sinchronizmo sąlyga netenkinama, keitimo efektyvumas yra mažesnis. Todėl elektrodiniai paviršinių akustinių bangų keitikliai pasižymi selektyvumu. Parinkus tinkamą keitiklio impulsinės charakteristikos gaubtinės formą (taikant sverti), galima pagerinti selektyvumą – sumažinti slopinimą praleidžiamųjų dažnių juostoje ir padidinti slopinimą už jos ribų. Jeigu reikalingas labai didelis selektyvumas ( 0 / f F D

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!