Elméleti összefoglaló Elektronikából

Ez az oldal a korábbi SCH wiki-ről lett áthozva. Az eredeti változata itt érhető el.

Ha úgy érzed, hogy bármilyen formázási vagy tartalmi probléma van vele, akkor kérlek javíts rajta egy rövid szerkesztéssel.

Ha nem tudod, hogyan indulj el, olvasd el a migrálási útmutatót

Szilárd testek tiltott energiasávjai:

• az elektromos vezető képességet a tiltott sáv nagysága határozza meg
• a fémekben nincs tiltott sáv
• a félvezetők sávszerkezete hasonló a szigetelőkéhez, de a tiltott sáv szélessége kisebb
• a tiltott sáv a vezetési sáv és a vegyértéksáv között helyezkedik el

n-típusú félvezető:

• elektronok többségi, lyukak kisebbségi töltéshordozók
• többségi töltéshordozók a mozgékonyabbak
• elektronkoncentráció > lyukkoncentráció
• elektronkoncentráció ~ donor koncentráció
• az adalékolatlan félvezetőhöz képest az ellenállása kisebb
• donor koncentráció
• donor adagolást növeljük:
  • az ellenállás lecsökken (töltéshordozók számának növekedésével csökken az ellenállás)
  • elektronkoncentráció megnő

p-típusú félvezető:

• lyukak többségi, az elektronok a kisebbségi töltéshordozók
• lyukkoncentráció > elektronkoncentráció
• akceptor koncentráció
• akceptor adagolást növeljük:
  • az ellenállás lecsökken (töltéshordozók számának növekedésével csökken az ellenállás)
  • lyukkoncentráció megnő

Félvezetők termikus egyensúlyi helyzete

• a rekombináció megegyezik a generációval
• az elektron vagy a lyukkoncentráció a tömeghatás törvényből számítható
• nincs elektronáram, és lyukáram
• a rekombináció megegyezik a generációval
• a Fermi-szint állandó a rendszerben

pn-átmenet:

• a tértöltésréteg annál keskenyebb, minél nagyobb az adalékkoncentráció a tartományban
• a tértöltésréteg vastagsága a pn-átmenetre kapcsolt záróirányú fesz növelésével növekszik
• a tértöltésréteg másik szokásos elnevezése a kiürített réteg
• a zárófeszültség növelésével:
  • a tértöltéskapacitás csökken
  • a záróáram abszolút értékben megnövekszik
  • a kiürített réteg szélessége növekszik
  • a diffúziós kapacitás nem változik

Dióda:

• kapacitása:
  • a diffúziós és tértöltéskapacitás feszültségfüggő
  • nyitóirányban a diffúziós kapacitás határozza meg a dióda kapcsoló tulajdonságát
  • az injektált kisebbségi töltéshordozók által képviselt diffúziós töltés létrehozásának időigényét a diffúziós kapacitás jellemzi
  • a záróirányú kapcsoló tulajdonságokat a tértöltéskapacitás határozza meg
  • zárófeszültségek esetén a dióda tértöltéskapacitása határozza meg a dióda kapcsoló tulajdonságait
  • a diffúziós kapacitás akkor nagy, amikor nagy az átmenet nyitó árama
  • tértöltéskapacitás mind a nyitó, mind a záró irányú előfeszültségnél jelentkezik
  • a diffúziós kapacitás a nyitó tartományban már közepes áramoknál is messze, nagyságrendileg meghaladja a tértöltésit
  • diffúziós kapacitás egyenes arányban van a töltéshordozók élettartamával – ún. rekombinációs centrumok létrehozásával csökkenthető
• valóságos karakterisztika: (miben tér el az ideálistól?)
  • záróirányban letörési feszültségnél a Zener v. lavinahatás miatt az áram megsokszorozódik
  • zárófeszültségek esetén a töltésrétegben az egyensúlynál kisebb koncentráció miatt megnő a generáció, ami többlet töltéshordozó áramot eredményez
  • a félvezető ohmikus ellenállásán eső feszültséget is figyelembe kell venni
  • a félvezető rétegek ohmikus ellenállása nagy áramoknál jelentős
  • nyitóirányban a tértöltésrétegben a töltéshordozó injekció hatására megnő a töltéshordozó
  • koncentráció, ami megnöveli a rekombinációt, így többletáram folyik.
• nyitóárama:
  • a nyitófeszültség növekedésével közel exponenciálisan növekszik
  • nagy áramoknál az eltérést az exponenciális karakterisztikából többek között a félvezető réteg ohmikus ellenállása okozza
  • adott áramhoz tartozó nyitófeszültség növekvő hőmérséklettel csökken (-2mV/°C)
• záróárama:
  • letörési feszültség eléréséig nagyon kicsi, majd letöréskor hirtelen megnövekszik
  • adott feszültséghez tartozó záróáram 1 °C hőmérséklet hatásásra 7-10%-kal nő
• hőmérsékletfüggés:
  • adott áramhoz tartozó nyitófeszültség a hőmérséklet növekedésével csökken
  • adott feszültséghez tartozó záróáram a hőmérséklet növekedésével növekszik
  • az adott áramhoz tartozó nyitófeszültség változása közel lineáris, ezért hőmérséklet szenzorként is alkalmazható
  • adott nyitóáramhoz tartozó nyitófeszültség a hőmérséklet növekedésével csökken
  • adott nyitóáramhoz tartozó nyitófeszültség változása a hőmérséklet függvényében közel lineáris
  • adott zárófeszültséghez tartozó záróáram a hőmérséklet növekedésével abszolút értékben növekszik

Bipoláris áramkörök:

• az ellenállásokat leggyakrabban bázisdiffúzióval alakítják ki
• több ellenállást lehet egy szigetben megvalósítani

Bipoláris tranzisztor:

• két egymással szoros kapcsolatban lévő p-n átmenetből áll, a középső réteg közös
• jól használható kapcsolókén és kisjelű erősítőként
• nagyobb helyigényűek
• telítéses állapotban mindkét pn átmenet nyitva
• nagyobb helyigényű, mint a MOS
• tranzisztor hatás technológia feltételei:
  • a bázisréteg keskeny
  • a töltéshordozók bázisáthaladási ideje jóval kisebb, mint az átlagos élettartamuk
  • legalább az egyik szélső réteg (pl.: az emitter) nagyságrendekkel erősebben adalékolt, mint a bázis
• npn üzemállapotára:
  • normál-aktív tartományban az EB átmenet nyitóirányban, a CB átmenet záróirányban van előfeszítve
  • telítéses állapotban mindkét pn átmenet nyitva van
  • az Ebers-Moll modell minden üzemállapotban alkalmazható
• vertikális pnp tranzisztor:
  • alatta nincs eltemetett réteg
  • paraméterei rosszabbak, mint az npn tranzisztoroké
  • kollektora p vezetési típusú alapszelet
• áramerősítés folyamata:
  • cél, hogy az emitterből jövő többségi töltéshordozók minél nagyobb számban érjék el kollektort
  • veszteségek: emitter áram egy része nem a kollektor felé folyik; a bázisba érkező elektronáram egy része rekombinálódik a bázisban, ill a kiürített rétegekben
• ha a bip. tranzisztor transzport hatásfoka csökken, akkor a közös bázisú áramerősítési tényező (A) csökken, és mivel B = A/(1-A), ezért elméletileg B nő valami nagyon kicsit

Nagyjelű modell:

• egyenáramú viselkedést, munkapont jellemzőket modellezik
• általában nemlineárisak, de tartalmaznak bizonyos egyszerűsítéseket
• számítógépes szimulációkhoz használják
• ha idő ill frekvenciafüggést is modellezik, akkor kapacitásokat(lin, és nem lin) is tartalmaznak

Kisjelű modell:

• általában lineáris modellek
• a munkapontban a karakterisztikát az érintővel helyettesítik
• a munkapontban a munkapont körüli kis megváltozások esetét írják le
• kézi szimulációra használják
• ha idő ill frekvenciafüggést is modellezik, akkor kapacitásokat is tartalmaznak

Ebers-Moll modell:

• az egyik leggyakrabban használt modell
• pontossága a benne használt pn átmenet modell pontosságától függ
• minden üzemállapot leírására alkalmas
• nagyjelű, nemlineáris modell
• kézi számításokhoz a legalkalmasabb modell
• teljesen szimmetrikus, a tranzisztor muködését minden üzemállapotban leírja
• normál aktív és inverz aktív helyettesítő kép szuperpozíciójából áll elő
• időfüggő vizsgálatokra is alkalmas

JFET tranzisztor:

• működésének alapja a feszültségvezérelt áramforrás
• a többségi töltéshordozók árama határozza meg a működést → kisebb hőmérsékletfüggés
• bemenő áramuk közel 0 → kis teljesítményigény
• n és p csatornás változat

MOS tranzisztor:

• W/L arány megfelelő változtatásával több nagyságrendnyi tartományban változtathatjuk ID-t
• működésének alapja a feszültségvezérelt áramforrás
• bemenő árama 0
• a többségi töltéshordozók árama határozza meg a működést
• kisebb, mint a bipoláris tranzisztor
• (általánosságban) MOS áramkörök gyártásakor alkalmazott lépéssorrend
• implantáció VT beállítása – gate-oxid növesztés – poly Si gate – S-D diffúzió – fémvezetékek
• küszöbfeszültsége függ:
  • az alkalmazott anyagok kilépési munkájától
  • az oxid vastagságától és töltéseitől
  • a Si adalékolásától
• MOS áramkörökben megvalósított fém-oxid-félvezető kapacitás:
  • gyakorlatilag feszültségfüggetlen
  • síkkondenzátor geometriájú

NMOS áramkörök:

• ha a kimenet alacsony szintű, az inverter mindkét tranzisztorán áram folyik
• egyszerűbb technológia, mint CMOSnál
• NMOS Inverter:
• passzív: egy vezérelt tranzisztor, a másik nemlineáris ellenállás
• aktív: mindkettő tranzisztort vezéreljük

CMOS áramkörök:

• logikai L szint a 0V, H = UDD
• gyártástechnológiailag bonyolultabb, mint az NMOS
• a teljesítmény-késleltetés szorzat kedvezőbb, mint a TTL, ECL, NMOS áramkörökre
• fogyasztásuk arányos a működés frekvenciájával
• az áramkör sebessége növelhető a tápfeszültség növelésével
• gyors működés
• statikus áramfelvétel=0
• tépfesz érzéketlen
• dominó logika:
  • csak dinamikus fogyasztás van
  • gyakori, hogy az egymást követő kapuk ellentétes logikával muködnek
  • manapság gyakran alkalmazott megoldás
  • mindig előtöltést alkalmazunk
  • általában ugyanannyi n csatornás, mint p csatornás tranzisztor
• CMOS Invereter:
  • mindkét tranzisztort vezéreljük
  • egy n és egy p típusú növekményes tranzisztorból állnak
  • állandósult állapotban mindig csak az egyik vezet, a másik lezárt
  • töltéspumpálás tejesítménye: P_cp = CL* f * UDD2
• fejlődési trendek:
  • csökkenő csíkszélességekkel csökkenő küszöbfeszültség
  • csökkenő csíkszélességekkel csökkenő oxidvastagság
  • csökkenő csíkszélességekkel növekvő határfrekvenciák
  • csökkenő csíkszélességekkel csökkenő tápfeszültség

A/D átalakító

• leggyorsabb átalakítási módszer a szukcesszív approximációt alkalmazó módszer
• az átalakítás sebessége több A/D átalakító megfelelő szervezésével növelhető
• kvantálási hiba az A/D átalakító felbontásának növelésével csökken

Teljes összeadó:

• 3 bemenete és 2 kimenete van
• egymás után kapcsolva őket több bites szavak összeadása is lehetséges
• bonyolultabb logikai kapcsolás, mint a félösszeadó esetén

Félösszeadó:

• 2 bemenete és 2 kimenete van

VLSI:

• minimális csíkszélesség ~0.2 nm

PROM memória (Programable ROM):

• bipoláris(fuse) és CMOS(antifuse) technológiával is készülhetnek
• egyszer programozható elektronikus úton, és többé nem törölhető

EEPROM (Electronicaly EPROM):

• az információt egy speciális, lebegő gate-s MOS tárolja
• lassabb, mint a RAM, ezért sebességkritikus alkalmazásoknál a rendszer indítása után tartalmát általában RAM-ba másolják
• sűrűsége összemérhető az EPROM-mal
• elektronikus úton, byte-onként törölhető

Statikus RAM:

• 6 tranzisztorból áll

Dinamikus RAM:

• lassabb, mint a statikus ram (50-70 ns)
• azonos felületen kb 4-szer sűrűbb, mint a statikus RAM
• 1 tranzisztorból, és 1 kapacitásból áll

Ideális műveleti erősítő:

• a bementi ellenállás végtelen
• a kimeneti ellenállás 0
• erősítésük végtelen
• mindig 2 bemenete van
• az invertáló és a nem invertáló bemenet egy potenciálon van

IC:

• standard cellás szerkezetű IC
• minden maszkot le kell gyártani
• a maszk minták nagyrésze cellák formájában előre meg van tervezve, és rendelkezésre áll
• gyorsabb, mint a PLD
• makrocellák működése garantált
• kis és közepes darabszám esetén olcsóbb, mint a full-custom ASIC
• sebesség növelés:
  • alumínium helyett rézvezetékek
  • tranzisztorok méretcsökkentésével
  • SiO₂ helyett kisebb permittivitású szigetelő anyag alkalmazásával

PLD (Programable Logical Device):

• gyorsan elkészíthető, kipróbálható hardver
• korlátozott bonyolultságú és sebességű megvalósítást tesz lehetővé
• előre gyártott (semi-custom)

Erősítés határfrekvenciája:

• az erősítés a névleges értéknél 3dB-lel kevesebb

Egyéb:

• ellenállás mértéke egyenesen arányos az ellenállás hosszával
• a Bode diagram az átvitel abszolút értékét és a fázistolást, a frekvencia függvényében logaritmikusan ábrázolja
• leggyorsabb működésű anyag-kombináció:
• réz – kis permittivitású dielektrikum

Planár technológiás VLSI

• az integrált áramkörök tervezése az áramköri elemek horizontális felületi struktúrájának kialakítását jelenti

Megnyomott ellenállás:

• nagyobb értékű ellenállás hozható létre, mint a bázisdiffúzióval
• pontatlan (5-20KOhm)

Áramerősítési tényezők:

• közös bázisú(A) ismeretében → Közös emitteres(B)
• [math]$B = \frac{A}{1-A}$[/math]
• közös emitteres(B) ismeretében → Közös bázisú(A)
• [math]$A = \frac{B}{B+1}$[/math]