Технологические основы интегральных микросхем.

ЭЛЕКТРОНИКА

1. Введение.

Электроника изучает принцип работы электронных приборов, их характеристики и примеры в различных схемах.

Электронный прибор – это устройство, в котором используются электронные явления.

Электронное явление – это явление, которое проявляется при взаимодействии свободных электронов с веществом при воздействии электрического или магнитного полей.

 

Этапы развития электроники:

1895 г. – А. С. Попов изобрел радио.

Оно потребовало разработки электронных приборов.

1895 – 1948 гг. – ламповый период.

1904 г. – первая лампа.

1948 г. – Бардин и Браттейн изобрели биполярный транзистор.

С 1948 г. Начинается транзисторный период.

60-е гг. – создание интегральных микросхем.

70-е гг. – создание больших интегральных микросхем (БИС, число элементов ≈ 10³).

80-е гг. – создание сверхбольших интегральных микросхем (СБИС).

Перспектива дальнейшего развития: развитие функциональной электроники (использование физико-химических явлений жидких и твердых тел вместо обычных электрических компонентов для создания устройств, выполняющих заданную функцию с электрическими сигналами (пьезоэлектрический фильтр)).

В зависимости от элементной базы электронику различают: первого, второго, третьего и т.д. поколений.

2. Классификация электронных приборов.

2.1. По виду рабочего пространства:

а) электровакуумные;

б) полупроводниковые;

в) газоразрядные;

г) на основе специальных типов проводников (например, с нелинейной зависимостью);

д) жидкостные и жидкокристаллические.

2.2. По функциональному значению (по виду энергий действующих на входе и на выходе):

а) электропреобразовательные (диоды, транзисторы);

б) электронносветовые (светодиод);

в) фотоэлектрические (фоторезистор);

г) термоэлектрические (термопара);

д) магнитодиоды и т.д.

 

2.3. По частоте рабочих сигналов:

а) низкочастотные (НЧ) – до 1 МГц;

б) высокочастотные (ВЧ) - 10⁶÷ 10⁹ Гц;

в) сверхвысокочастотные (СВЧ);

г) оптические приборы (лазеры).

2.4. По мощности сигналов:

Больше 1 кВт – мощные приборы (мощная лампа).

Больше 3 Вт – для транзисторов.

3. Физика полупроводников.

3.1. Строение полупроводников – кристаллическое вещество, проводимость которого зависит от температуры и от чистоты.

 

3.2. Собственный (чистый, беспримесный) полупроводник i–типа. При комнатной температуре его проводимость низкая, при нагревании возникают (разрушаются ковалентные связи) пары собственных электронов и дырок, причем их количество равное n_i=p_i. Обязательно выполняется условие электрической нейтральности.

 

3.3. Полупроводник n–типа образуется за счет донорной примеси (5 валентной). Основная масса образуется за счет атомов примеси, которые превращаются в положительные ионы доноров N_д+ - неподвижны.

Условия для такого полупроводника:

а) n_пр, p_i, n_i – подвижные

б) N_д+ - неподвижны

Тип полупроводника определяется подвижными зарядами, которых больше.

в) n_пр + n_i>>p_i – электронная проводимость

Условие электрической нейтральности:

n_пр + n_i = p_i + N_д+

г) Проводимость σ_n = σ_nпр + σ_ni + σ_pi ≈ σ_nпр

 

3.4. Полупроводник p–типа образуется за счет акцепторной примеси (3 валентной).

а) p_пр, p_i, n_i – подвижные

б) N_а- - неподвижны

в) p_пр + p_i>>n_i – дырочная проводимость

 

г) Проводимость σ_p = σ_pпр + σ_ni + σ_pi ≈ σ_pпр

_{д) условия эл. нейтральности}

3.5. Влияние температуры на проводимость полупроводника.

 

3.6. Токи в полупроводниках.

1. I _диф = I _{диф p} + I _{диф n} – определяется разной концентрацией

2. I _др = I _{др p} + I _{др n}

3. I = I _диф + I _др = 0

 

4. p-n-переход.

4.1. Строение p-n- перехода.

- основные носители заряда

- неосновные носители заряда

 

+, - - неподвижные, ионы

 

         I _диф + I _др = 0

1. За счет разной концентрации основных зарядов возникает диффузионный ток дырок из области p и электронов из области n.

2. В контактной области эти заряды рекомбинируют друг с другом, из-за чего их концентрация становиться меньшей, т.е. образуется область, обедненная подвижными зарядами, образуется p-n-переход.

3. Из-за этого в этой области обнаруживается заряд неподвижных ионов примеси, т.е. создается объемный заряд (в самом полупроводнике сам заряд не обнаруживается, так как в условии электрической нейтральности он компенсировался подвижными зарядами). К этому заряду частично добавляется заряд от перешедших основных зарядов, которые не сразу рекомбинируют, а некоторое время живут (τ_ср – среднее время жизни).

4. Этот заряд образует контактную разность потенциалов φ_к = φ₊ - φ_- , а следовательно образуется электрическое поле Е_к.

5. Эти объемные заряды называются потенциальным барьером, который препятствует диффузионному току - I _диф; за счет образовавшегося поля Е_к создается дрейфовый ток – ток неосновных носителей заряда - I _др.

6. Полный ток через p-n-переход будет определяться I = I _диф + I _др = 0.  

 

4.2. p - n -переход при прямом напряжении

 («+» прикладывается к p -области, а «-» к n -области).

За счет прямого напряжения - U _пр создается электрическое поле Е_вн, направленное на встречу Е_к, т.е. суммарное поле уменьшается, за счет этого:

а) объемный заряд на p-n-переходе уменьшается;

б) p-n-переход становиться уже, так как нужно меньше объема полупроводника с    неподвижными ионами примеси, которые образуют этот объемный заряд;

в) диффузионный ток возрастает значительно, так как это ток основных носителей, которых полно (сопротивление перехода низкое);

г) дрейфовый ток уменьшается I_pn = I _диф ↑ + I _др ↓ ≈ I = I _диф;

д) пополнение подвижных зарядов осуществляется от источника прямого напряжения.

4.3. p - n -переход при обратном напряжении

(«+» прикладывается к n -области, а «-» к p -области).

За счет обратного напряжения - U _обр создается электрическое поле Е_вн, совпадающее с Е_к, т.е. суммарное поле увеличивается, за счет этого:

а) это соответствует увеличению объемного заряда в p-n-переходе, а следовательно контактной разности потенциалов;

б) возрастает тормозящее поле для диффузионного тока, т.е. I _диф уменьшается;

в) увеличивается дрейфовый ток, но так как это ток неосновных носителей, которых мало, то ток увеличивается незначительно, он соответствует тепловому току I ₀, т.е. сопротивление p-n-перехода большое (I₀ сильно зависит от температуры полупроводника) I_pn = I _диф ↓ + I _др ↑ ≈ I _др ≈ I ₀.

4.4. Вольтамперная характеристика p - n -перехода (ВАХ).

1. Теоретическая характеристика.

 

q – Заряд электрона

U – Положительное напряжение (с «+» прямое, с «-» обратное)

k – Постоянная Больцмана

Т – Температура

 

 

2. Реальная характеристика отличается от теоретической:

а) при прямом напряжении - временными процессами рекомбинации основных зарядов из-за чего прямая ветвь идет несколько круче;

б) при обратном напряжении – наличием пробоев перехода.

			Iобр

 

                                                                                                           

 

Пробой возникает, когда сопротивление резко уменьшается.

АВ – электрический пробой – обратимый

ВС – тепловой пробой – необратимый

 

 

 

4.5. Виды пробоев p - n -перехода.

1. Электрические пробои (обратимые) бывают:

а) Туннельные пробои возникают на узких p-n-переходах, когда они созданы при высокой концентрации примеси, на которой образуются большие электрические поля  и процесс туннелирования, при котором за счет сильного поля происходит вырывание валентных электронов из самого полупроводника, т.е. образуется большое количество зарядов и сопротивление падает.

б) Лавинный пробой возникает на широких p-n-переходах, когда электроны проходят большое расстояние до столкновения и развивают большие скорости, за счет которых они могут выбить валентные электроны, этот процесс происходит лавинообразно.

2. Тепловой пробой (необратимый) – «обугливание прибора».

4.6. Эквивалентная схема p - n -перехода.

Сопротивление показывает изменение сопротивления перехода при различных напряжениях.

 

 

Диффузионная емкость при прямом напряжении. За счет диффундированных основных зарядов и средней времени жизни (сопротивление перехода низкое).

Барьерная емкость при обратно напряжении. Характеризует объемный заряд на переходе, причем рассматриваем ее как емкость с обкладками конденсатора и, учитывая, что p-n-переход расширяется при увеличении обратного напряжения

U _обр для  ,  , то .

Барьерная емкость используется как переменная емкость в специальных приборах – варикапах.

 

4.7. Типы приборов на основе p - n -перехода.

а) Диоды – для преобразования сигналов переменного тока – выпрямление, преобразование сигналов при модуляции и демодуляции (диоды с точечной конструкцией).

Основные характеристики для выпрямительных и СВЧ диодов.

1. I _{пр max}

2. U _{обр max (доп)}

 

б) Стабилитроны.

1.

2.

 

 

Пример работы параметрического стабилизатора напряжения.

					Uвых ст
	Uвх нестаб.

Rбалансное

 

При возрастании постоянного входного напряжения ток через диод увеличивается (АВ), а напряжение меняется мало – оно стабилизировано. Излишки падают на R _б ( ).

 

в) Варикапы (варьированная емкость).

 

Основные характеристики: C_max , C_min , U_min , U_max.

 

 

	Cp

									Eп
			L		VD		R

 

 

Величина VD меняется с помощью R и Е_n.

С_р – разделительный конденсатор. Он разделяет, т.е. пропускает сигналы переменного тока и не пропускает постоянный ток. Постоянный ток регулировки варикапа не попадает в индуктивность.

4.8. Другие типы диодов, динистор и тиристор (см. пункт 6.6.).

4.9. Импульсные диоды.

Импульсный диод имеет малую длительность переходных процессов, т.е. может быстро открываться и закрываться.

 

 

а) Участок времени (t ₁ , t ₂) – диод открыт от прямого напряжения. При этом в области p-n-перехода сохраняется много нерекомбинированных носителей заряда (среднее время жизни), (C _диф).

б) Когда прикладывается обратное напряжение, образуется обратный ток за счет возвращения нерекомбинированных указанных зарядов – участок (t₂, t₃). Обратный ток практически постоянен. Определяется объемным сопротивлением полупроводника.

в) ( t ₃ , t ₄ ) – постепенно все заряды возвращаются назад, ток прекращается.

г) ( t ₂ , t ₄ ) – время восстановления обратного сопротивления диода. Для импульсных диодов этот интервал должен быть минимизирован.

д) Нужно уменьшить диффузионную емкость, чтобы время жизни перешедших зарядов было меньше. Это достигается путем легирования (создания примеси) этих полупроводников медью или золотом. Т.е. создаются как бы «ловушки», которые захватывают электроны и дырки в себя, где они рекомбинируются. Диффузионную емкость можно еще уменьшить за счет уменьшения размеров p-n-перехода.

е) Уменьшение объемного сопротивления.

t ₃ ÷ t ₄ = t _{восстановления}

t _восст. = 0,1 ÷ 10 мкс

Для сверхбыстрых импульсных диодов t_восст. << 0,1 мкс

 

4.10.  Диод Шоттки.

А

Это полупроводниковый диод, выпрямительное свойство которого основано на воздействии металл-полупроводник (обедненного подвижными зарядами). Обычно они обладают высоким быстродействием и применяются в СВЧ технике, типа выпрямление, преобразование сигналов. Могут быть и силовыми диодами. В основном изготавливаются из кремния и могут выдерживать токи до 100 А.

n

полупроводник

Силовые линии

К

 С увеличением обратного напряжения увеличивается напряженность электрического поля и при полях около 300 кВ/см в кремнии начинается ударная ионизация электронно-дырочных пар, их лавинное размножение, приводящее к сильному возрастанию обратного тока p-n-перехода. В простых диодах силовые линии сгущаются у краев контакта металл-полупроводник из-за чего возрастает полевой эффект на краях. Это вызывает лавинный пробой в этих краях при достаточно низком напряжении (1 В). Поэтому для ослабления краевого поля и повышения напряжения была предложена структура с «охранным» p-n-переходом.

При больших токах p-n-переход сам начинает работать, инжектируя неосновные носители заряда – дырки в n-область. Это приводит к накоплению большого избыточного заряда дырок и дополнительно с увеличенной емкостью перехода, ухудшается быстродействие. Эти явления связаны с барьерной емкостью p-n-перехода. Она нелинейно зависит от напряжения на переходе. Барьерная емкость сильно возрастает при прямом напряжении и уменьшается при обратном. В конструкции с «охранным» p-n-переходом влияние барьерной емкости соизмеримо с емкостью барьера Шоттки. Сопоставляя характеристики диода Шоттки с обычным диодом можно сделать следующие выводы:

Сравнивая прямые ветви, видим, что характеристики диода Шоттки идут круче при меньших напряжениях на нем. Поэтому на нем будет меньше рассеиваться мощность (меньше охлаждающих генераторов), а также улучшаются высокочастотные свойства.

4.11. Преобразовательные диоды.

Это диоды с хорошей односторонней проводимостью и линейно-квадратичной ВАХ.

 

 

                                                                                        

 

 

4.12. Туннельный диод.

p-n-переход делается из вырожденных полупроводников, то есть с очень большой концентрацией примеси, такой, что уровень Ферми находится в зоне проводимости и в валентной зоне, т.е. проходит значительное искривление энергетических зон.

а) Приложим прямое напряжение

Искривление зон уменьшается, но эффект сбалансированного перехода и рекомбинации зарядов, т.е. сохраняется туннельный эффект.

В точке А перекрытие валентной зоны (ВЗ) в p-полупроводнике и зоны проводимости в n-полупроводнике перестает быть, сопротивление возрастает, ток уменьшается – участок АС. При дальнейшем увеличении U_пр p-n-переход ведет себя обычным образом – участок CD.

б) При U_обр искривление зон увеличивается, туннельный эффект сохраняется – участок OE.

Видно, что данный прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением.

4.13. Однопереходный транзистор.

 

 

С помощью базового тока (на выходе n-канала) I _б1,б2 = I _б можно управлять током на входе, т.е. I _эб1 = I _э

 

а) Если нет I _б, то характеристика тока будет:

 

 

б) U_pn = U _эб1 – U _б1 для U _эб1 < U _б1 , U_pn = U _обр

Если создать ток I _б, то в нижней части создается падение напряжения

U _эб1 = I _б R _б1 и к p-n-переходу будет приложено обратное напряжение, естественно переход закрыт. Увеличивая U _эб1 > U _б1, переход оказывается под прямым напряжением, открывается (точка А) и ток возрастает.

Применение: как переключающее управляемое устройство, а также как усилительное устройство . На участке АВ отрицательное дифференциальное сопротивление.

5. Биполярные транзисторы.

Биполярный – двуполярный.

Ток протекает через проводник двух проводимостей. Работа основана на взаимодействии двух p-n-переходов.

 

 

5.1. Схема p - n - p -транзистора с общей базой.

 Условиями нормальной работы транзистора являются:

-  узкая слабо насыщенная подвижными зарядами база;

- к эмиттерному переходу (ЭП) прикладываем прямое напряжение, а к коллекторному переходу (КП) – обратное.

 

1. Под действием прямого напряжения на эмиттерном переходе возникает диффузионный ток основных носителей заряда. Этот ток будет состоять из тока дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер). Но ток подвижных зарядов в эмиттере больше, чем в базе, то ток будет определяться током из эмиттера в базу. Такой процесс называется инжекцией (впрыскивание); область, откуда инжектируются носители, называется эмиттером (Э), а область куда инжектируются – базой (Б). Этот процесс характеризуется коэффициентом инжекции. Он показывает, какую долю в токе через ЭП составляет ток эмиттера.

 

       

 

I _э  – полный ток через ЭП

I _{э p} – ток дырок из Э в Б

I _{э n} – ток электронов из Б в Э

 

2. В Б перешедшие из Э дырки рекомбинируют с ее электронами, образуя ток базы очень маленький, так как мало электронов и она узкая, поэтому основная масса доходит (переносится) до КП, этот процесс характеризуется коэффициентом переноса.

Базовый ток – это ток восполнения количества электронов в базе от источника U_эб по условию электрической нейтральности.

3. Так как к КП приложено обратное напряжение, то оно является ускоряющим (захватывающим) полем для дырок, дошедших до него. Эти дырки захватывают КП и подаются в коллектор (собиратель). Процесс перехода зарядов из области, где они являются неосновными в область, где они являются основными, называется экстракцией. Процесс такого перехода характеризуется коэффициентом размножения, который показывает во сколько раз больше дырок вышло из КП больше числа дырок вошедших в КП.

В обычных транзисторах М=1, в специальных лавинных транзисторах М>>1.

4. Полный коэффициент передачи тока определяется:

Видно, что схема не имеет усиления по току, но схема может иметь усиление по напряжению, так как

  - коэффициент усиления по напряжению

5. Схема с общей базой, так как база является общим выходом между входом и выходом.

 

5.2. Схема с общим эмиттером.

 

 

Схема имеет усиление по току. Также имеет усиление по напряжение, поэтому эта схема находит широкое применение.

 

5.3. Схема с общим коллектором.

Для работы транзистора надо создать теже самые условия. Схема имеет усиление по току, но не имеет усиления по напряжению.

 

5.3’.   Статические характеристики транзисторадля схемы с общим эмиттером.

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник.

 

1. Входные характеристики:

 при U _вых = const

 при U _бэ =const

Это характеристика ЭП, включенного для прямого напряжения, поэтому вид характеристики повторяет прямую ветвь p-n-перехода.

 

 

При U _кэ = 0 характеристика идет круче.

При U _кэ ≠ 0 характеристика идет не из 0, за счет наличия тепловых токов в КП.

 

2. Выходные характеристики:

 при I_вх=const

 при I_б=const

 

 

 

 

I - режим или область отсечки токов, транзистор закрыт.

II - режим насыщения.

 

На КП создается прямое напряжение, и ток в базу попадает и из эмиттера и из коллектора. База насыщается зарядами, и ток перестает расти.

 

III - активный (усилительный) режим.

IV - область электрического пробоя (лавинного).

 

5.4. Тепловой неуправляемый ток (через КП).

а) Схема с общей базой.

б) Схема с общим эмиттером.

I_ко – тепловой неуправляемый ток.

Тепловой ток усиливается в β раз.

Замечание к входной характеристике для схемы с общим эмиттером.

 

В точке В =>

В точке А=> ,

 

5.5. Статические характеристики для схемы с общей базой.

а) Выходные характеристики.

 при U_вых=const

 при U_кб=const

 

Характеристика соответствует прямой ветви p-n-перехода.

 

При U_кб=0 КП не работает.

При U_кб≠0, чем больше это напряжение, тем больше начинает работать КП, поэтому характеристики идут круче.

 

I  – режим отсечки токов, так как оба p-n-перехода оказываются при обратном напряжении.

 

II – режим насыщения, так как оба p-n-перехода оказываются при прямом напряжении.

 

III – активный режим.

 

 

б) Выходные характеристики.

 при I_вх=const

 при I_э=const

Эти характеристики отражают работу транзистора при U_кэ – обратное, поэтому их вид соответствует обратной ветви p-n-перехода.

 

При I_э>0 в базу инжектируются дырки и ток через КП возрастает, но вид характеристики сохраняется.

При U_кб=0 и I_э>0 ток I_к через транзистор – есть, так как на КП есть собственная контактная разность потенциалов, за счет которой дырки переходят в коллектор. Чтобы ток свести к нулю надо U_кб сделать прямым. Дырки из коллектора будут переходить в базу.

 

 

I – режим отсечки

 

II – режим насыщения

 

III – активная область

 

IV – лавинный пробой

 

 

5.6. Работа транзистора с общим эмиттером с активным сопротивлением нагрузки.

Рассмотрим квазистатический режим, когда токи и напряжения меняются медленно, не учитываются свойства.

 

Нагрузочная характеристика и рабочая точка (режим по постоянному току).

 - уравнение нагрузочной

                                              характеристики

 

График можно построить по двум точкам.

,

,

 

 

Точка пересечения нагрузочной прямой с заданной статической характеристикой (для заданного тока базы)

 

 – это графическое решение системы уравнений.

 

Входная нагрузочная характеристика и рабочая точка.

 

 

Этой характеристикой можно считать U_кэ≠0,

так как для широкого интервала значений

U_кэ эта характеристика сливается в дугу.

 

5.7. Временные диаграммы усиления сигналов.

Зададим режим по постоянному току на входном напряжении с помощью I_бэ или I_б0.

 

 

Из-за того, что переменные составляющие токов и напряжений искажены, поэтому определяем амплитуды их как среднее арифметическое между максимальным и минимальным значениями.

 

k_i~ - коэффициент усиления по току

 

 

k_u~ - коэффициент усиления по напряжению

 

 

k_p~ - коэффициент усиления по мощности

 

Видно, что k_i и k_u >> 1.

U_кэ в противофазе с входным сигналом (U_бэ, I_б) и I_к.

 

Другие параметры схемы:

 

Входное сопротивление

 

 

Мощность, выделяемая сопротивлением нагрузки

 

 

 

Мощность рассеивания на коллекторе

 

 

5.8. Характеристические (дифференциальные, мало сигнальные) параметры транзисторов.

 

При подаче на вход транзистора очень малых сигналов переменного тока, его можно рассматривать как линейный (неискажающий форму сигнала) активный (усиливающий) четырехполюсник.

Существуют следующие системы параметров:

 

Y - В виде проводимостей

Z - Параметры сопротивлений

H - Комбинированная система параметров, состоит из y и z параметров

Для сигналов сравнительно низких частот будем считать, что H – параметры чисто активные величины.

H≈h

 – входное сопротивление (короткое замыкание по переменному току     на выходе)

 

     –    коэффициент обратной связи (холостой ход на входе)

 – коэффициент передачи по току (короткое замыкание по переменному току на выходе)

 

     – выходная проводимость (холостой ход на входе)

Для этих параметров можно составить эквивалентную схему.

h₁₁ – входное сопротивление

 отражает влияние выходного напряжения на вход транзистора, определяется h₁₂.

Генератор тока на выходе  отражает усиленный выходной ток, который характеризуется h₂₁.

h₂₂ – выходная проводимость

 

5.9. Определение h -параметров по статическим хара-кам (для схемы с общим эмиттером).

а) по входным характеристикам:

 

 

 

 

 

 

 

б) по выходным характеристикам:

 

 

 

5.10. Пересчет h -параметров для схемы с общим эмиттером к h -параметрам для схемы с общей базой. Их типовые значения.

    

      

      

      

Типовые значения h-параметров                                    - для схемы с общим эмиттером:

                                                                                      

                                                                                      

                                                                                      

                                                                                      

                                                                                     - для схемы с общей базой:

                                                                                      

                                                                                      

                                                                                      

                                                                                      

 

5.11. Определение рабочих параметров через h -параметры, когда транзистор нагружен активным сопротивлением.

Для слабых сигналов можно определить следующее:

а) коэффициент усиления по току

………………………………. коэфф. усиления по току

 

коэфф. усиления по напряжению без учета сопротивления источника сигнала

 

………………………………………………..коэфф. усиления по мощности

 

5.12. Физическая эквивалентная схема БПТ и их частотные свойства.

Физическая эквивалентная схема отражает физические процессы, протекающие в транзисторе при прохождении в нём переменных токов.

 

а) Простейшая Т-образная физическая эквивалентная схема (для схемы с ОБ).

 - объёмное сопротивление базы (его надо учитывать, т.к. база делается с небольшой концентрацией примесей.

- сопротивление эмиттерного перехода.

- сопротивление коллекторного перехода.

Генератор тока  отражает передаточные характеристики тока.

Элементы, влияющие на частотные свойства транзистора (реактивности) –

-  (для ЭП) и  (для КП).

Достоинство схемы в том, что она проста.

 

б) Поведение транзистора с сигналами высоких частот и эквивалентная схема.

 

Рассмотрим зависимость коэффициентов усиления по току от частоты усиливаемых сигналов.                       

100

 

 - предельная частота транзистора, на которой

 уменьшается в  раз.

 

 - граничная частота, на которой = 1.

 

Аналогично  - предельная частота для схемы с ОБ.

5.13. Объяснение более высокочастотных свойств для схемы с ОБ.

 

 

С общей базой

 

 

С общим эмиттером

                       

 - емкость между входом и выходом. Желательно, чтобы она была меньше, поскольку сигнал со входа на выход может сразу попадать на неё и не управлять токами в транзисторе. В схеме с ОБ

, .

Для описания частотных свойств транзистора была предложения физическая эквивалентная схема Джиаколетто.

 

 

 

 - объёмное сопротивление базы (так как база делается с небольшой примесью).

Точка Б^/, от которой учитывается чисто явление в эмиттерном и коллекторном переходе.

 - сопротивление ЭП (чистое).

 - эквивалентное сопротивление между коллектором и эмиттером.

 - ёмкость КП (барьерная ёмкость).

 - ёмкость, определяющая изменение ширины базы.

 - ёмкость ЭП.

 - крутизна транзистора по ЭП (мА/В), характеризует как сильно влияет входное напряжение  на выходной ток  (см. далее полевой транзистор).

С помощью этой эквивалентной схемы можно определить входное и выходное реактивное (комплексное) сопротивление и коэффициент усиления на заданной частоте.

 

 

5.14. Расчёт характеристик этой схемы.

 

 - постоянная времени цепи обратной связи.

 - коэффициент усиления по току на частоте f.

 

Решение:

1. ,

2.

3.

4. =

5. =

6.  [1/В] (мА)

7. , где - граничная частота.

Определим с помощью этой схемы входные и выходные сопротивления.

 

Считаем, что на выходе кз по переменному току (это правда, так как там включается следующий транзистор, входное сопротивление которого низкое).

Аналогично можем построить эквивалентную схему на выходе. Эту схему можно рассчитать, считая на входе эквивалентной схемы режим хх, так как считаем, что сигнал подаётся с такого же транзистора, то есть по схеме с ОЭ, сопротивление которого высокое.

 

5.15. Работа транзистора в ключевом (импульсном) режиме.

Схема НЕ:

 

 

Если на вход не подавать напряжение и нет тока , то на выходе  практически не будет, то есть транзистор закрыт и поэтому на выходе .

 

Если на вход подать большое напряжение (создать большой ), чтобы в транзисторе протекал большой ток , то есть транзистор сильно открылся (шунтирует (закорачивает)) и . То есть транзистор работает аналогично ключу (переключаемому ключу).

 

 - сопротивление, ограничивающее большой ток на входе, чтобы предотвратить выход из строя ЭП транзистора.

 

 

5.16. Расчёт электронного ключа.

 

 

1.Строится нагрузочная характеристика.

2.Если на входе 0 (нет напряжения и =0), транзистор находится в режиме тсечки.

При этом .       

 - тепловой ток.

3.Когда на вход транзистора подаётся большое напряжение, создается большой ток .

Транзистор открывается и переходит в режим насыщения – точка Б. При этом ток , а

 

Замечания.

Чтобы транзистор с запасом открывался до режима насыщения, обычно базовый ток должен быть .

 

 

6. Полевые (униполярные) транзисторы.

 

Принцип работы во многом аналогичен лампам. Запущен в 1952 г. Называют полевыми, так как используется эффект влияния электрического поля в полупроводнике. Униполярный, так как ток протекает в полупроводнике одного типа проводимости.

 

6.1. Полевые транзисторы с управляющим p - n переходом.

 

а) Физика работы.

 

 Если приложить к n-p переходу обратное напряжение, то создаётся сам p-n переход (область обедненная подвижными носителями зарядов). То есть, она уменьшает токопроводящую часть канала (пластины). Следовательно меняется сопротивление канала и уменьшается .

Вывод: с помощью  можно регулировать ток на выходе.

 

 

Нарисуем проходную характеристику.

 

 

 

 

Выходные статические характеристики:

 

Участок 0А – канал ведёт себя как обычный резистор.

В точке А из-за распределения потенциала по каналу (длине канала) в области стока создается большое обратное напряжение, которое и создает p-n переход, вытянутый к стоку.

В точке А и на участке АВ увеличение  вызывает пропорциональное сужение токопроводящей части канала. Поэтому ток не возрастает.

На участке ВС происходит электрический пробой p-n перехода. При  указанные процессы наступают при меньших значениях . Участок А0 – транзистор ведет себя как линейное сопротивление, величину которого можно менять с помощью /

 

 

6.2. Основные параметры транзистора.

 

а) Входное сопротивление очень высокое! Исчисляется мегаомами, так как при обратном напряжении на p-n переходе.

 

б) Проходная характеристика оценивается её крутизной – ВАХ.

 мА/В.

 мА/В.

 

Если в цепи стока включено сопротивление, то коэффициент усиления по напряжению:

 

 

 

Выходные характеристики аналогичны.

Недостаток транзистора с управляющим p-n переходом: большая проходная ёмкость

. , поэтому транзистор может работать с сигналами не очень высоких частот.

6.2.1. МДП полевые транзисторы.

 

Они лишены указанного выше недостатка.

Если приложить + к истоку, - к стоку, то тока в подложке не будет, так как там 2 встречных «включенных» p-n перехода.

За счёт приложенного напряжения , создается электрическое поле, а счет которого создается слой дырочной проводимости. Индуцируется (создается) канал. Его стокозатворная характеристика:

 

 

Выходные статические характеристики.

При увеличении  канал обогащается подвижными зарядами, а при уменьшении обедняется.

6.2.2. Транзистор с индуцированным каналом.

Стокозатворная характеристика:

 

 

6.3. МДП транзистор со встроенным каналом.

 

Здесь встроен канал и с помощью  можно или обогащать

(к затвору подается минус)

или обеднять

(к затвору подается плюс) его.

 

 

 

 

Удобство для создания режима по постоянному току – это наличие тока в точке 0 на этой характеристике, то есть не нужно делать дополнительного питания для создания рабочей точки. Такие транзисторы полезны для усиления сигналов переменного тока.

 

 

6.4. Другие МДП транзисторы (многоэлектродные транзисторы).

 

По аналогии с ламповыми, с экранирующими сетками.

 

 

6.5. Основные соотношения для характеристик полевых транзисторов.

 

 

Стокозатворная характеристика может быть представлена в виде:

 

 

 

 

 

6.6. 4х-слойные переключающие приборы.

 

Прибор с тремя взаимодействующими p-n переходами.

 

 

У – управляющий электрод.

 

Если нет управляющего электрода, то прибор называется динистор, если есть – тиристор.

 

6.6.1. Динистор.

 

Характеристики динистора

 

ВАХ динистора.

А – работа при обратном напряжении .

Вид характеристики такой же, как для p-n перехода при обратном напряжении

(через 2 p-n перехода верхнее и нижнее обратное напряжение).

 

В – работа динистора при .

 

 

Представим динистор в виде двух взаимодействующих p-n переходов.

 

 

В этих взаимодействующих транзисторах необходимо учитывать явление инжекции из эмиттера в базу и экстракции из базы в коллектор.

 

Параметр  - коэффициент передачи тока эмиттера.

 

Участок ОС – один из p-n переходов закрыт, поэтому ток будет маленьким.

 

 

Участок CD – при увеличении  увеличивается  - коэффициент передачи по току.

 

 

На участке CD коллекторный переход открывается (при больших ), уменьшается сопротивление и возрастает ток – участок ED.

EF – характеристика открытого транзистора.

 

Точка D характеризуется напряжением включения динистора (при котором он открывается).

Точка E характеризуется

 (током удержания) – минимальный ток, ниже которого динистор отключается.

 

Также точку E характеризует

 - остаточное напряжение.

6.6.2. Тиристор.

 

        

     

 

За счёт управляющего электрода можно управлять током инжекции и, следовательно, величиной напряжения включения.

 

Применение:

Могут применяться как включающие устройства. Динистор используется для защиты (предохранитель).

Технологические основы интегральных микросхем.

7.1. Основные понятия.

 

Обеспечение миньютеризации и надежности основано на создании интегральных микросхем.

ИМС – это электрическая схема с очень высокой плотностью упаковки (интеграции). Все элементы выполнены на одной плате (подложке). Каждая ИС предназначена для выполнения определенных функции с определенным сигналом (усиление, преобразование (по частоте, форме), выполнение логических функций).

Элементы ИМС делятся на активные (которые могут усиливать – транзисторы, диоды, тиристоры и др.) и пассивные.

 

7.2 Классификация интегральных микросхем.

а) По степени интеграции.

Если число элементов в интегральной схеме составляет 10 штук – 1я степень интеграции.

11-100 штук – 2я степень интеграции (малая степень интеграции).

10²-10³ – 3я степень.

10³-10⁴ – 4я степень. (3я и 4я – БИС).

и т.д. 10⁶ - … - СБИС.

 

б) По типу сигналов и функциональному назначению

Аналоговые и дискретные (в частном случае цифровые).

 

в) По типу подложки.

Бывает активная (из полупроводника, когда все элементы делаются внутри подложки), плёночная ИС (когда подложки делается из хорошего, хорошо обрабатываемого изолятора), на её поверхности наносятся (напыляются) плёночные пассивные элементы (RCL). Если требуется активный элемент, то его берут готовый полупроводниковый, безкорпусной с микровыводами, которые размещаются на этой подложке. Такая схема называется гибридной.

 

б) По степени интеграции.

    Если число элементов в интегральной схеме составляет 10 штук – 1я степень интеграции.

11-100 штук – 2я степень интеграции (малая степень интеграции).

10²-10³ – 3я степень.

10⁴-10⁵ – 4я степень. (3я и 4я – БИС).

и т.д. 10⁶ - … - СБИС.

 

в) По типу сигналов и функциональному назначению

Аналоговые и дискретные (в частном случае цифровые).

 

7.3. Гибридные ИС.

 

Подложка – хорошо обрабатываемый диэлектрик.

 

1) Плёночный резистор.

Полоска резистивной плёнки, заканчивающейся контактами из полупроводников.

За основу расчёта взяли удельное поверхностное сопротивление [Ом/□].

                      

[Ом/□].

Расчёт размеров осуществляется за счёт коэффициента формы ,

 - сопротивление на схеме.

Пример.

 

= 10000 Ом.

 1000 Ом/□.

10000 Ом / 1000 Ом/□ = 10□

 

Если размер большого номинала, то его делают в форме меандра.

 

Иногда используют:

 

 

2) Конденсатор.

 

.

 

 

Если требуется в схеме конденсаторы и резисторы больших номиналов, то их делают выносными (или используются специальные готовые элементы).

 

3) Индуктивность.

Плёночные проволоки в виде спирали.

 

L = 1-100 мкГн.

 Ом.

Для получения нормальной добротности такие индуктивности можно использовать с очень и сверхбольшими частотами.

 

[Ом].

Если в схеме требуются большие индуктивности, то используют специальные электрические схемы – гираторы, которые имеют (на транзисторах и ёмкостях) индуктивный импеданс (сопротивление), или делают выносные элементы (глупо).

 

4) Соединения в соответствии заданной схемы.

Делаются проводниковыми плёнками.

 

5) Навесные элементы.

Транзисторы □ (1.1 (1.5) Χ 1.1 (1.5) мм) – безкорпусные.

 

6) Разработка топологии (размещения элементов на подложке).

Элементы расположены равномерно по подложке.

 

7.3.1. Методы нанесения плёнок и получение заданной конфигурации элементов.

 

а) Напыления (напыляемое вещество разогревается до испарения и затем осаждается на подложке). Применяется при тонкоплёночной технологии, где толщина плёнок 1 мкм.

Для получения заданной формы плёночной структуры используются два метода:

1) Метод фотолитографии;

2) Метод контактных бронзовых масок с окнами, через которые напыляется плёнка.

б) Толстоплёночные. Толщина плёнки >1 до 10 мкм.

Изготавливаются путём нанесения паст через специальные трафареты.

Гибридные ИС могут изготавливаться на заводе в виде лаборатории.

Выбор толстоплёночной или тонкоплёночной технологии определяется двумя условиями: величина тока и мощности схемы, а также диапазон рабочих частот.

7.4. Полупроводниковые интегральные схемы.

 

Подложка является активной.

а) Физико-химические явления в полупроводниках, которые используются в ИС:

- кинетические явления (токи) – диффузионные и дрейфовые токи.

- контактные явления (p-n переход, металл-полупроводник – выводы из полупроводника, контакт металл-диэлектрик-полупроводник – МДП структуры).

- поверхностные явления на примере МДП (создание, индуцирование каналов в поверхностном слое МДП транзистора).

б) Классификация полупроводниковых ИС по типу транзисторов:
- биполярные ИС;

- МДП ИС;

- иногда бывают комбинированные.

 

7.4.1. МИС на биполярных транзисторах.

 

а) Подложка (полупроводник) – наиболее часто используют Si. Достоинства:

- ширина запрещенной зоны (ЗЗ) – малые тепловые токи;

- окисел SiO₂ является хорошим диэлектриком или изолятором.

 

б) Биполярный транзистор обычно используется с вертикальной структурой построения, т.к. удобно осуществлять соединения на поверхности полупроводника. Все элементы этой схемы строятся на структуре транзистора.

 

Быстродействие транзистора является временем

, где  - объёмное сопротивление коллектора,

    - ёмкость коллекторного перехода.

,  уменьшается.

Для этого создаётся n⁺ слой (хорошо проводящий), скрытый под коллектором. Кроме того n⁺ область выполняет функции экрана, изоляции от подложки.

В месте вывода коллектора при соединении металла (алюминия) с полупроводником может образоваться область с p-проводимостью, то есть может создастся ненужный p-n переход, сопротивление которого может быть различным и высоким, что не нужно в контакте. Для устранения этого создаётся n⁺ при контактной области. Главное – создать структуры транзистора такие, чтобы они позволили получить требуемые характеристики транзистора. Все остальные элементы строятся на основе этих структур.

в) Диод. В качестве диода можно использовать любой из p-n переходов транзистора, например эмиттерный.

 

 

г) Резистор. В качестве резистора можно использовать любую область.

д) Пинч-резистор.

 

 

Разброс номинала 100%.

 

 

е) Конденсаторы.

В качестве конденсатора можно использовать барьерную ёмкость p-n перехода, но надо учитывать то, что к нему надо прикладывать обратное напряжение и ёмкости получаются небольшими, исчисляемые сотнями пФ. Поэтому чаще используют МДП структуры:

 

 

Нижней обкладкой конденсатора является n⁺ эмиттерная область.

 

 

ж) Индуктивности.

Спирали из проводящих плёнок (так же, как и в гибридных ИС), но лучше использовать гираторы, но еще лучше не использовать индуктивности.

 

Изоляция элементов подложки.

а) Изоляция p-n переходами.

 

Создаётся область р.

 

б) Диэлектрическая изоляция.

 

 

Каждый элемент располагается внутри диэлектрической коробочки.

 

SiO₂ – самая хорошая изоляция. Самая плохая изоляция – резистивная (физическая).

 

 

 

Физическая – воздушная изоляция.

 

 

 

Ненужные части подложки вытравливаются, а конструкция держится за счёт мощных балочных выводов.

 

 

7.4.2. Планарные технологии.

 

Когда каждая структура элементов создаётся одновременно путём последовательных циклов (т.е. сначала создаются коллекторные, потом базовые и т.д.), причём все элементы в кристалле располагаются равномерно (планово), а соединения делаются на поверхности с помощью методов напыления проводящих плёнок (например, алюминия).

 

7.4.3. Групповой метод.

 

Когда на одной пластине (5-7 см) создаются сотни тысяч однотипных ИС, определяются годные ИС (порядка 20%, т.к. с помощью случайных газо-фазовых методов), затем пластина разрезается (скрайбируется) на отдельные кристаллы – ИМС, и годные устанавливаются в корпус и т.д.

 

7.4.4. Методы создания структур в полупроводнике.

Диффузия, эпитаксия, окисление.

 

Диффузия – перемещение частиц в сторону их меньшей концентрации. Обычно разогревают диффундируемое вещество до температуры испарения и частицы проникают в полупроводник.

 

При диффузии концентрация диффундирующих частиц уменьшается.

Можно инвертировать тип проводимости.

Эпитаксия – это направленное наращивание за счёт кристаллизации полупроводника (доведенного до испарения) на другой полупроводник, когда кристаллическая структура одного полупроводника является продолжением кристаллической структуры другого.

Окисление – это получение слоя SiO₂.

Во всех ИС используются методы диффузии и окисления.

В названии типа ИС содержится способ изготовления и тип изоляции элементов. Так как при изготовлении всех типов ИС используется диффузия, то это слово не используется. Планарная ИС на БПТ с изоляцией p-n перехода (т.е. для изготовления используется только диффузия). Планарно-эпитаксиальная биполярная ИС с диэлектрической изоляцией (т.е. используется и диффузия и эпитаксия).

 

7.4.5. Полупровдниковые МДП интегральные микросхемы.

Размеры МДП транзисторов меньше чем биполярных транзисторов. Поэтому можно получить большую степень упаковки (интеграции элементов) в кристалле (в схеме). Эти схемы обладают меньшим быстродействием, но экономичны в потреблении электроэнергии.

Бывают МДП и КМДП (Комплиментарные МДП – пары транзисторов).

Комплиментарные - транзисторы с разными типами проводимости, но с одинаковыми характеристиками.

 

Комплиментарная пара:

Работа:

 

Если на входе 0(-), то VT2 закрыт, а VT1 открыт, на выходе будет 1. VT2 закрыт, так как напряжение на затворе VT2 = 0, VT1 при этом открыт, так как
U_ЗИVT1 = 0 – (+E_П) = -E_П

Если на входе логическая единица, то VT2 открывается и шунтирует выход – на выходе логический ноль, VT1 закрыт.

То есть в схеме в любых состояниях один из транзисторов закрыт и схема не потребляет тока, поэтому значительная экономия электроэнергии. Потребление тока возникает только в момент переключения схемы за счет перезаряда паразитных емкостей.

 

Структура.

 

 

7.4.6. Критерии выбора гибридной или полупроводниковой технологии.

Преимущества гибридных интегральных схем:

· большие мощности сигналов;

· СВЧ

· Аналоговые схемы.

А в основном всё можно делать на полупроводниковых схемах. Если партия меньше 10000 штук, то полупроводниковую технологию настраивают напрасно.

 

---

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 24; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!