Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.07.2024
Просмотров: 658
Скачиваний: 1
СОДЕРЖАНИЕ
С.Н. Гринфельд физические основы электроники
1. Электропроводность полупроводников
1.1. Строение и энергетические свойства кристаллов твердых тел
1.2. Электропроводность собственных полупроводников
1.3. Электропроводность примесных полупроводников
1.4. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
2. Электронно-дырочный переход
2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения
2.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении
2.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении
2.4. Вольт-амперная характеристика электронно- дырочного перехода. Пробой и емкость p-n-перехода
3.1. Общие характеристики диодов
4. Полупроводниковые транзисторы
4.1.2. Принцип действия транзистора
4.1.3. Схемы включения транзисторов
4.1.5. Влияние температуры на статические характеристики бт
4.2.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом Структура и принцип действия пт
Схемы включения полевого транзистора
Температурная зависимость параметров птуп
4.2.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором
Структуры пт с изолированным затвором
Статические характеристики мдп-транзистора с индуцированным каналом
Статическая характеристика передачи (или сток – затвор)
Статические характеристики мдп-транзистора со встроенным каналом
Максимально допустимые параметры полевых транзисторов
5.2. Диодные тиристоры (динисторы)
5.4. Симметричные тиристоры (симисторы)
5.5. Зависимость работы тиристора от температуры
6.1. Классификация, основные характеристики и параметры усилителей
6.3. Обратные связи в усилителях
6.3.3. Влияние отрицательной ос на нелинейные искажения и помехи
6.3.4. Влияние отрицательной ос на частотные искажения
6.3.5. Паразитные ос и способы их устранения
6.5. Каскады предварительного усиления
6.5.3. Работа каскада с оэ по переменному току
6.5.5. Усилительный каскад на полевом транзисторе
6.5.6. Схема с ос (истоковый повторитель)
7.1. Определение усилителя постоянного тока. Дрейф нуля
7.2. Однотактные усилители прямого усиления
7.3. Дифференциальные усилители
7.3.2. Схемы включения дифференциального усилителя
7.3.3. Коэффициент ослабления синфазного сигнала
7.3.4. Разновидности дифференциальных усилителей
8. Определение и основные характеристики операционных услителей
8.1. Устройство операционных усилителей
8.2. Характеристики операционных усилителей
8.4. Применение операционных усилителей
Неинвертирующий усилитель на оу
И Рис. 8.12. Схема инвертирующего усилителянвертирующий усилитель
У Рис. 8.14. Схема усредняющего усилителясредняющий усилитель
Усилители переменного напряжения
9. Устройства сравнения аналоговых сигналов
10.3. Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов
О Рис. 1. Схема исследования характеристик транзистора по схеме с оЭписание лабораторной установки
Лабораторная работа 2 исследование однокаскадного усилителя с общим эмиттером
Описание лабораторной установки
Лабораторная работа 3 дифференциального усилителя постоянного тока
Описание лабораторной установки
Последовательность расчета усилителя
Последовательность Расчета усилителя в области низких частот
Софья наумовна гринфельд физические основы электроники Учебное пособие
Компоненты, которые входят в состав ИС и, тем самым, не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИС, или интегральными элементами. Элементы ИС обладают некоторыми особенностями по сравнению с транзисторами и т.д., которые изготавливаются в виде конструктивно обособленных единиц и соединяются в схему путем пайки.
В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой. На определенных этапах становится невозможным решать новые задачи старыми средствами или, как говорят, на основе старой элементной базы, например с помощью электронных ламп или дискретных транзисторов. Основными факторами, лежащими в основе смены элементной базы, являются: надежность, габариты и масса, стоимость и мощность.
Особенностью изделий микроэлектроники является высокая степень сложности выполняемых функций, для чего создаются схемы, в которых количество компонентов исчисляется миллионами. Отсюда ясно, что обеспечить надежность функционирования при соединении компонентов вручную – задача невыполнимая. Единственным способом ее решения является применение качественно новых высоких технологий.
Для изготовления интегральных схем используется групповой метод производства и планарная технология.
Групповой методпроизводства заключается в том, что,
во-первых, на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое количество интегральных схем;
во-вторых, если позволяет технологический процесс, то одновременно обрабатываются десятки таких пластин.
После завершения цикла изготовления ИС пластина разрезается в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы (по-английски chip – чип), каждый из которых представляет собой ИС.
П
Рис.
10.1. Иллюстрация изготовления простейшей
интегральной схемы: а – кремниевая
пластина с «комплектами» из двух
транзисторов, диода и резистора; б –
межсоединения элементов внутри
«комплекта» (планарная технология); в
– готовая ИС в корпусе
Одна или несколько технологических операций при изготовлении ИС заключается в соединении отдельных элементов в схему и присоединении их к специальным контактным площадкам. Поэтому необходимо, чтобы выводы всех элементов и контактные площадки находились в одной плоскости. Такую возможность обеспечивает планарная технология.
Финальная операция – корпусирование – это помещение ИС в корпус с присоединением контактных площадок к ножкам ИС (рис. 10.1).
10.2. Типы Интегральных схем
В процессе развития микроэлектроники (МЭ) номенклатура ИС непрерывно изменялась. Главный тип ИС в настоящее время – полупроводниковые ИС. Им и будет посвящено основное содержание этого пособия.
10.2.1. Классификация ис
Классификация ИС может производиться по различным признакам, ограничимся здесь лишь одним. По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают интегральные схемы двух принципиально разных типов: полупроводниковые и пленочные.
Полупроводниковая ИС– это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки (рис. 10.2). Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.
Пленочная ИС– это микросхема, элементы которой выполнены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки (рис.10.3). В зависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различают тонкопленочные ИС (толщина пленок до 1 - 2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10 - 20 мкм и выше).
Поскольку до сих пор никакая комбинация напыленных пленок не позволяет получить активные элементы типа транзисторов, пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т.п.). Поэтому функции, выполняемые чисто пленочными ИС, крайне ограничены. Чтобы преодолеть эти ограничения, пленочную ИС дополняют активными компонентами (отдельными транзисторами или ИС), располагая их на той же подложке и соединяя с пленочными элементами. Тогда получается ИС, которую называют гибридной.
Г
Рис. 10.2. Структура
элементов полупроводниковой ИС Рис.
10.3. Структура элементов пленочной ИС:
1
– верхняя обкладка; 2 – нижняя обкладка;
3 – диэлектрик; 4 – соединительная
металлическая полоска
Еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаются полупроводниковые и пленочные интегральные элементы, называют совмещенными.
Совмещенная ИС– это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированную поверхность того же кристалла (как у пленочной ИС).
Совмещенные ИС выгодны тогда, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность сопротивлений и емкостей; эти требования легче обеспечить с помощью пленочных элементов, чем с помощью полупроводниковых.
Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществляются с помощью тонких металлических полосок, напыленных или нанесенных на поверхность подложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесс нанесения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений – металлической разводкой.
10.2.2. Полупроводниковые ис
В настоящее время различают следующие полупроводниковые ИС: биполярные, МОП (металл-окисел-полупроводник) и БИМОП. Последние представляют собой сочетание первых двух, и в них комбинируются положительные их качества.
Технология полупроводниковых ИС основана на легировании полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом проводимости и p-n-переходы на границах слоев. Отдельные слои используются в качестве резисторов, а p-n-переходы – в диодных и транзисторных структурах.
Л
Рис.
10.4. Окисная маска с окнами для
локального легирования
Кратко охарактеризуем составные части (элементы) полупроводниковых ИС. Основным элементом биполярных ИС является n-p-n-транзистор. На его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы должны изготавливаться, по возможности, одновременно с этим транзистором, без дополнительных технологических операций.
Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор. Изготовление других элементов также подстраивается под базовый транзистор. Элементы биполярной ИС необходимо тем или иным способом изолировать друг от друга с тем, чтобы они не взаимодействовали через кристалл.
Элементы МОП ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга, так как между смежными МОП-транзисторами взаимодействия не существует. В этом – одно из главных преимуществ МОП ИС по сравнению с биполярными.
Характерная особенность полупроводниковых ИС состоит в том, что среди их элементов отсутствуют катушки индуктивности и, тем более, трансформаторы. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какое-либо физическое явление, эквивалентное электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходимую функцию без использования индуктивностей, что в большинстве случаев удается. Если же катушка индуктивности или трансформатор принципиально необходимы, их приходится использовать в виде навесных компонентов.
Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20 х 20 мм2.Чем больше площадь кристалла, тем более сложную, более многоэлементную ИС можно на нем разместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество в нем элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.
Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т.е. количеством элементов (чаще всего транзисторов) на кристалле. Максимальная степень интеграции составляет 106элементов на кристалле. Повышение степени интеграции (а вместе с нею и сложности функций, выполняемых ИС) – одна из главных тенденций в микроэлектронике.
Для количественной оценки степени интеграции используют условный коэффициент:
k = lg N.
В зависимости от его значения интегральные схемы называются по-разному:
-
интегральная схема (ИС)
k < 2
(N < 100);
интегральная схема средней степени интеграции (СИС)
2 < k < 3
(N < 1000);
большая интегральная схема (БИС)
3 < k < 5
(N < 105);
сверхбольшая интегральная схема (СБИС)
k >5
(N > 105).