Файл: Лекции полупроводниковая электроника лекция 1 Полупроводники и их электрофизические свойства. Элементы зонной теории твердого тела. Все материалы можно поделить на проводники, полупроводники и диэлектрики.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.10.2023
Просмотров: 31
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
9 Специальные типы диодов используют различные свойства переходов явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др. Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и предназначены для выпрямления малых токов. Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц, диффузионные до 100 кГц, эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) до 500 кГц. Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне до нескольких МГц. Обозначение При большом токе через переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом (4) ВАХ выпрямительного диода приобретает вид
I=I
ДИФ
=I
S
Т, где R – сопротивление объема полупроводникового кристалла, называемое последовательным сопротивлением. Силовые диоды характеризуются статическими и динамическими параметрами. Статические параметры можно установить по ВАХ диода
10 Лекция № 3 БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Биполярным транзистором наз. п/п-ый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой перехода. Транзистор от англ. е – переносить и resistor – сопротивление. Изобрел америк. физик Джон Бардин в 1948 г, в России в г. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n транзисторы и p-n-p транзисторы. n-p-n транзисторы обладают большим коэффициентом усиления потоку и более большим быстродействием (подвижность у электронов больше чему дырок. Схема замещения и условное обозначение Средняя часть наз. базой, одна крайняя область наз. коллектором, другая эмиттером. Если ширина базы << диффузионной длины Д, тополе коллекторного перехода втягивает инжектированные электроны (n-p-n транзистор) или дырки (p-n-p транзистор, которые будут создавать коллекторный ток, причиной которого являются неосновные носители. Часть электронов (дырок) рекомбинирует в базе создавая ток базы. Концентрация электронов (дырок) в коллекторном переходе больше чем концентрация дырок (электронов) в базе, но меньше чем в эмиттере. Уравнение транзистора
χ = 1– Д где м – ширина базы, зависящая от частотного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшающаяся, Д – диффузионная длина, χ наз. коэффициентом переноса – показывающим какая часть инжектированных электронов достигает коллектора. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы
1) линейный (усилительный) – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном
2) насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении
3) отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении
4) инверсный – коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный в обратном направлении
5) режим пробоя – нерабочий, а аварийный режим. В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению U
БЭ
через него протекает ток базы Б. Ток коллектора определяется как КБ, где В – коэффициент передачи тока базы. Напряжение U
БЭ
на эмиттерном переходе связано стоком коллектора уравнением Эберса-Молла: i
К
=I
КБ.О
(exp[U
БЭ
/φ
Т
]–1), (1) где I
КБ.О
– обратный ток коллекторного перехода при его обратном смещении, Т – тепловой потенциал. Если U
БЭ
>φ
Т
при прямом смещении, то ток коллектора растет с ростом напряжения U
БЭ
по экспоненциальному закону (из 1): i
К
≈I
КБ.О
exp[U
БЭ
/φ
Т
], (2) где U
БЭ
≤ К. К
– контактная разность потенциалов.
11 При изменении полярности напряжения на эмиттерном переходе транзистор переходит в режим отсечки и ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода i
К
≈I
КБ.О
Из (1) напряжение на эмиттерном переходе равно
U
БЭ
=φ
Т
ln(i
К
/I
КБ.О
+1), (3)
Т.к. при Т = К, Т мВ, то уже при напряжении U
БЭ
=100 мВ можно считать, что
U
БЭ
=φ
Т
ln(i
К
/I
КБ.О
). Напряжение на эмиттерном переходе не превышает 1 В, а на коллекторе 10-100 В и более. Т. к. ЭК, то мощность в коллекторной цепи во много раз превышает мощность эмиттерной, а изменение мощности в эмиттерной цепи вызывает большое изменение мощности коллекторной. Маркировка транзисторов или
1) буква или цифра отвечает за материал Кили кремний Г или 1 – германий, 3 – арсенид галлия
2) Т – транзистору полевых П
3) цифры от 1 до 9 – область применения
4) порядковый номер разработки
5) классификация по параметрам изготовленных водном технологическом процессе.
ВАХ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
1) Схема с общим эмиттером Транзистор нах. в линейной области, если напряжение на коллекторе большое и выходит заграницу штриховой области. Особенности
1) Приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы
2) Ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллекторе(в (1) такой зависимости вообще нет
3) Напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит оттока базы. Из 1-3 следует, что в линейном режиме транзистор для малых приращений тока можно заменить источником тока коллектора, управляемого током базы. Если также пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием. Те. можно использовать модель транзистора (см. рис
Рис. 1 Пользуясь этой моделью, можно легко рассчитать коэффициент следующего каскада
12
;
;
,
c
á
ê
á
í
ê
í
á
í
á
u
i
i
Bi
u
i R
Bi откуда
б
н
c
н
R
BR
u
u
или
б
н
н
R
R
K
2) Схема с общей базой (добавить рис. схемы) ТРАНЗИСТОР КАК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК. ПАРАМЕТРЫ Четырехполюсником – наз. электрическую схему любой сложности в которой можно выделить 4 зажима(вывода): 2 входных и 2 выходных, I
2
– могут быть зависимыми и независимыми.
1) Параметры сопротивления (токи независимы
U
1
=R
11
I
1
+R
12
I
2
U
2
=R
21
I
1
+R
22
I
2 тогда
R
11
=U
1
/I
1
, (I
2
=0) – входное сопротивление четырехполюсника при разомкнутом выходе или холостом входе (ХХ);
R
12
=U
1
/I
2
, (I
1
=0) – сопротивление обратной связи при ХХ на входе
R
21
– сопротивление прямой передачи при ХХ на выходе
R
22
– выходное сопротивление при ХХ.
13 2) Параметры проводимости (напряжения независимы
I
1
=y
11
U
1
+y
12
U
2
I
2
=y
21
U
1
+y
22
U
2 y
11
=I
1
/U
1
, (U
2
=0) – входная проводимость на четырехполюснике при коротком замыкании (КЗ) на выходе (изм. в См y
12
=I
1
/U
2
, (U
1
=0) – проводимость обратной связи при КЗ на входе y
21
– проводимость прямой передачи при КЗ на выходе y
22
– выходная проводимость при КЗ на входе.
3) h-параметры(от hybrid – гибрид. (независимыми являются – ток на входе и напряжение на выходе. h
11
=U
1
/I
1
, (U
2
=0) – входное сопротивление при КЗ на выходе h
12
=U
1
/U
2
, (I
1
=0) – коэффициент передачи обратной связи по напряжению с выхода на вход при
ХХ на входе h
21
=I
2
/I
1
, (U
2
=0) – коэффициент передачи со входа на выход при КЗ на выходе h
22
=I
2
/U
2
, (I
1
=0) – выходная проводимость при ХХ на входе. Транзистор является нелинейным элементом и поэтому h параметры будут зависеть оттока и напряжения нелинейно. Однако если взять линейные участки ВАХ транзистора, то малые изменения токов будут пропорциональны малым изменениям напряжения. Тогда h параметры линейны и наз.
малосигнальными или дифференциальными h параметры зависят от способа включения транзистора
ОЭ, ОБ, ОК. Чаще используются схемы с ОБ и ОЭ.
1) Общая база (рис из лекции)
ΔU
ЭБ
=h
11Б
·ΔI
Э
+h
12Б
ΔU
КБ
ΔI
К
=h
21Б
·ΔI
Э
+h
22Б
ΔU
КБ кб
U
Э
ЭБ
11Б
ΔI
ΔU
h
– входное сопротивление транзистора при КБ э
I
ЭБ
КБ
12Б
ΔU
ΔU
h
– коэффициент передачи обратной связи по напряжению при Э
2) Общий эмиттер (рис из лекции)
ΔU
БЭ
=h
11Э
·ΔI
Б
+h
12Э
ΔU
КЭ
ΔI
К
=h
21Э
·ΔI
Б
+h
22Э
ΔU
КЭ Э – входное сопротивление Э – обратная передача по напряжению Э – прямая передача потоку Э – выходная проводимость. Коэффициенты Б и Э определяют усилительные свойства транзистора и их обычно приводят в справочнтках. Другие коэффициенты можно рассчитать по формулам.
14 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ТРАНЗИСТОРА ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
– генератор тока с большим внутренним сопротивлением (отражает усилительные свойства транзистора. При h
11
=h
12
=h
22
получаем простейшую схему замещения (рис 1), если положить Рассмотрим как графически определяются h параметры из входных и выходных ВАХ при включении транзистора по схеме ОЭ. Ом 14
мкА
350
В
0,05
h оэ
11
2
оэ
12 10
В
5
В
0,05
h
15 Полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник. Полевой транзистор – это электрический полупроводниковый прибор, выходной ток которого управляется полем, а следовательно, и напряжением, одного знака. Формирующий сигнал подаётся на затвори регулирует проводимость канала n или типа. В отличие от биполярных транзисторов, где сигнал может быть и переменной полярности. Вторым признаком является то, что ток образован только основными носителями, следовательно, и одного знака. Простейший полевой транзистор с управляющим p- n- переходом представляет собой тонкую пластинку полупроводникового материала (обычно это кремний) с одним p- n- переходом в центральной части и с омическими контактами по краям (рис. Действия прибора на рис основано на зависимости толщены p- n- перехода от приложенного к нему напряжению. Поскольку обеденный слой почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимости практически равен нулю. Ограничения с одной из боковых сторон токопроводящий канал (образуемый полупроводником пластины, обеденный слой тем самым определяет сочетание или эффективную толщину этого канала. В зависимости от электропроводимости проводника канал может быть типа (как на рис, таки типа при использовании кристалла с дырочной электропроводностью. Все многообразие полевых транзисторов по физическим эффектам, лежащим в основе управления носителями заряда, можно разделить на два класса - с управляющим р-n-переходом и каналом "р" или "n" типа - МДП (МОП) - транзисторы с индуцированным или встроенным каналом "р" или "n" типа (обогащенного и обедненного типа.
40
мкА
10
мкА
400
h оэ
21
мкСм
67
В
6
мА
0,4
h оэ
22
16 Отметим основные особенности полевых транзисторов, выгодно отличающие их от биполярных
1. Практически полное отсутствие тока во входной цепи затвора, что наряду с большим входным сопротивлением устраняет нелинейные искажения управляющего напряжения на затворе за счет протекания входного тока через внутреннее сопротивление источника сигнала.
2. Квадратность проходной характеристики, обусловливающая низкий уровень нелинейных искажений при использовании транзисторов в схемах преобразователей частоты. Большое разнообразие проходных характеристик, расширяющее функциональные возможности транзисторов.
4. Наличие термостабильной точки, позволяющее исключить специальные меры температурной стабильности режима.
5. Способность работы в условиях сверхнизких температур.
6. Возможность управлять транзистором по двум цепям. В качестве второй цепи управления может использоваться цепь подложка-исток либо второй затвор двухзатворных транзисторов, так называемых МДП-тетродов. Эти и другие особенности полевых транзисторов обусловили их широкое использование в аппаратуре военной связи. Их применение позволило, в частности, осуществить полную транзисторизацию радиоприемных устройств, исключив электронные лампы во входных высокочастотных каскадах.
Простейший полевой транзистор с управляющим р-n-переходом представляет собой тонкую пластинку полупроводникового материала (обычно кремния) с одним р-n-переходом в центральной части и с омическими контактами по краям.
Пластинка кремния n- или р-типа выполняет функции канала, те. токопроводящей области. При этом ток в канале создается лишь основными носителями заряда, что и определило термин "униполярный. Сопротивление канала регулируется электрическим полем, за счет изменения его поперечного сечения с помощью напряжения, приложенного к закрытому р-n-переходу. Транзистор имеет три электрода исток, стоки затвор. Давайте расшифруем эти понятия Истоком называют электрод, через который в канал втекают носители заряда, а стоком - электрод, через который они из канала вытекают. Истоки сток соединены каналом - областью полупроводника, в который поток носителей заряда регулируется изменением её поперечного сечения. У полевого транзистора с каналом типа на сток подается положительный потенциал, относительно истока и ток в транзисторе протекает от стока к истоку с каналом р-типа на сток подается отрицательный потенциал относительно истока и ток протекает от истока к стоку. Сопротивление области сток – исток (канала) зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему отрицательного обратного напряжения на затворе. Это приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p – n - переходом основана на изменении сопротивления канала сток – исток за счет изменения обратного напряжения Uзи. Напряжение Uзи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения тока стока, называется напряжением отсечки полевого транзистора – Uзи отс.
17 В дальнейшем анализ проведем для транзистора с каналом п-типа. Электрод, используемый для управления величиной эффективного сечения канала, называется затвором. Напряжение затвора, как и напряжение стока, отсчитывается относительно истока. Электрод, используемый для управления величиной эффективного сечения канала, называется затвором. Напряжение затвора, как и напряжение стока, отсчитывается относительно истока. Для эффективного управления сечением канала управляющий р-n-переход делают резко несимметричным, так чтобы запирающий слой в основном располагался в толще полупроводниковой пластинки, образующей канал.
С этой целью концентрация примесей в затворе значительно превышает концентрацию примесей в канале. Толщина канала W обычно равна мкм, длина "l" - равна мкм, ширина - в тысячи раз больше длины. Изменяя приложенное к затвору управляющее напряжение, которое смещает р- переход в обратном направлении можно изменять толщину перехода, а соответственно и сечение канала и тем самым регулировать протекающий через канал ток. где h - первоначальная толщина канала у - толщина канала.
Можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе U0, при котором произойдет полное перекрытие канала и ток канала к окажется равным нулю. В силу того, что управление сечением канала (и соответственно током стока) производится обратно включенным р-n-переходом, сопротивление участка затвор-исток оказывается очень большим. Оно соответствует сопротивлению полупроводникового диода, включенного в обратном направлении, что выгодно отличает данный прибор от биполярного транзистора. Управление толщиной канала осуществляется напряжением на затворе относительно истока или в конечном итоге электрическим полем, возникающим в запирающем слое. Отсюда и произошло название полевой транзистор. Наряду с управляющим переходом в полевых транзисторах используется и переход Шоттки - металл – полупроводник. Эти транзисторы изготовляются, как правило, на основе арсенида галлия. Материал затвора выбран таким, чтобы по отношению к каналу создавался выпрямляющий контакт
Шоттки. Поскольку зависимость толщины обедненного слоя от напряжения смещения для диода Шоттки совпадает с аналогичной зависимостью для резкого перехода, то принцип действия прибора аналогичен. Применение металлического затвора позволило уменьшить длину канала до мкм, а, следовательно, время движения зарядов от истока к стоку. Кроме того, подвижность электронов у арсенида галлия враз выше, чему кремния. Эти два фактора позволили резко повысить рабочие частоты данного транзистора до 50-80 ГГц. При усилении сигналов высокой частоты у полевых транзисторов наблюдается уменьшение выходной мощности, входного и выходного сопротивлений, коэффициента усиления по напряжению, появляются возможности самовозбуждения и т.д. Частотные свойства полевых транзисторов обусловлены главным образом влиянием распределенных сопротивлений и емкостей.
18
В зависимости от устройства канала проводимости различают МОП транзисторы со встроенными индуцированным (наведенным) каналом. Это в равной мере относится к приборами- типа. У транзисторов со встроенным каналом канал является элементом конструкции, ау приборов с индуцированным каналом канал, как таковой, отсутствует он наводится внешним напряжением. Ширина p – n перехода, следовательно, и сопротивление канала зависит оттока, протекающего через канал. Если сито ток стока, создает по длине канала падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор – канал, это приводит к уменьшению проводимости канала (к увеличению сопротивления. По мере роста си ток стока как функция напряжения сток – исток, все сильнее отклоняется от линейной. При определенном значении тока наступает режим насыщения, который характеризуется, тем, что с увеличением си ток стока (канала) увеличивается незначительно. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения.
МОП-ТРАНЗИСТОР В полевом транзисторе этого типа роль затвора играет металлический электрод, электрически изолированный от полупроводника тонкой пленкой диэлектрика, в данном случае оксида. Отсюда и название транзистора «МОП» - сокращение от «металл-оксид-полупроводник». Канал п-типа в МОП- транзисторе формируется за счет притяжения электронов из подложки р-типа диэлектрическим слоем затвора. Ширину канала можно изменять, подавая на затвор электрический потенциал. Подача положительного (относительно подложки) потенциала приводит к расширению канала п- типа и увеличению тока через этот канал, подача отрицательного потенциала вызывает сужение канала и уменьшение тока. Для МОП-транзистора с каналом р-типа ситуация изменяется на обратную. Существует два типа МОП-транзисторов: Транзисторы, работающие в режиме обогащения, и транзисторы, работающие в режиме обеднения. Транзистор, работающий в режиме обогащения, находится в состоянии отсечки тока (нормально выключен, когда напряжение смещения VGS= 0.
19
Рис.5.Выходные характеристики МОП-транзистора с каналом п-типа, работающего в режиме обогащения, и условное обозначение этого транзистора.
Рис.6.Выходные характеристики МОП-транзистора с каналом типа, работающего в режиме обеднения, и условное обозначение этого транзистора. Протекание тока начинается только при подаче напряжения смещения на затвор. Выходные характеристики п-канального МОП-транзистора с каналом п-типа, работающего в режиме обогащения, и его условное обозначение показаны на рис. 3.
МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения, проводит ток, когда напряжение смещения на затворе отсутствует (нормально включен. Для МОП-транзистора с каналом типа ток стока увеличивается при подаче на затвор положительного напряжения и уменьшается при подаче отрицательного напряжения (рис) Условное обозначение МОП-транзистора с каналом р-типа показано на рис Заметим, что прерывающаяся жирная линия указывает на МОП-транзистор, работающий в режиме обогащения (нормально выключен. Рис. 7. Условное обозначение МОП-транзистора с каналом р-типа.
20 Рис. 8. Усилитель на МОП-транзисторе с каналом р-типа, работающий в режиме обеднения. Сплошная линия используется для обозначения МОП-транзистора, работающего в режиме обеднения (нормально включен. Вывод подложки обозначается буквой Ь, обычно он соединяется с выводом истока. На рис. схема типичного усилителя с общим истоком на МОП-транзисторе с каналом р-типа, работающего в режиме обеднения. Используется источник питания с отрицательным напряжением. Положительное напряжение смещения между затвором и истоком VGS создается обычным образом с помощью резистора R3 вцепи истока.
21 Лекция № 4 Тиристоры. Полупроводниковые датчики. Интегральные микросхемы. Тиристорами называются полупроводниковые приборы стремя (и более) р-п-переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов. Они переключают электрические цепи, регулируют напряжение, преобразуют постоянный ток в переменный. По устройству и принципу работы он очень похож на полупроводниковый диод, нов отличие от него тиристор управляемый.
"Ключевой" характер действия тринистора позволяет использовать его для переключения электрических цепей там, где для этой цели до этого служили только электромагнитные реле. Полупроводниковые переключатели легче, компактнее и во много раз надежнее в работе, чем электромагнитные реле с механически замыкаемыми контактами. В отличие от таких реле они производят переключение сочень большой скоростью - сотни и тысячи разв секунду, а если нужно - еще быстрее. Тринисторы используют в современной аппаратуре электрической связи, в быстродействующих системах дистанционного управления, в вычислительных машинах ив энергетических устройствах.
В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные и триодные. В диодных тиристорах различают
– тиристоры, запираемые в обратном направлении
проводящие в обратном направлении
симметричные. Триодные тиристоры подразделяют
– на запираемые в обратном направлении с управлением по аноду или катоду
– проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду
– симметричные (двунаправленные.
Наиболее распространены динисторы - тиристоры с двумя выводами и тринисторы - приборы стремя выводами. Кроме того, различают группу включаемых тиристоров.
Простейшие диодные тиристоры, запираемые в обратном направлении, обычно изготовляются из кремния и содержат четыре чередующихся р- и п-области (рис. 1). Область р, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область п – катодом области пр базами. Рис. 1. Структура тиристора. Принцип действия
Если к аноду р подключить плюс источника напряжения, а к катоду п – минус, то переходы Пи Покажутся открытыми, а переход П – закрытым. Его называют коллекторным переходом.
Так как коллекторный р-п-переход смещен в обратном направлении, то до определенного значения напряжения почти все приложенное падает на нем. Такая структура легко может быть
22 представлена в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на риса, баб) Рис. 2. Структура (аи схема двухтранзисторного эквивалента тиристора (б.
Ток цепи определяется током коллекторного перехода П. Он однозначно зависит от потока дырок из эмиттера транзисторар-п-р - типа и потока электронов из эмиттера транзистора п-р-п- типа, а также от обратного тока р-п-перехода.
Так как переходы Пи П смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда дырки из области р, электроны – из области п. Эти носители заряда, диффундируя в областях баз пр, приближаются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через р-п- переход. Дырки, инжектированные из р1-области, и электроны из п движутся через переход П в противоположных направлениях, создавая общий ток I.
При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе П. Поэтому к переходам П1,П3, имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход П. При увеличении внешнего напряжения ток вцепи сначала меняется незначительно. При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода П, все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенном напряжении носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами в области р-п- перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда.
Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область р, а электроны – в область п. Ток через переход П увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П, Пи увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и увеличение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода П становится малым.
Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей тиристора, и падение напряжения на приборе становится незначительным. На ВАХ этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 3). После переключения ВАХ аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию тиристора. Выключение тиристора осуществляется за счет уменьшения напряжения внешнего источника до значения, при котором ток меньше(участок 3).
23 Рис. 3. Вольтамперная характеристика динистора
Если параллельно с тиристором включить диод, который открывается при обратном напряжении, то получится тиристор, проводящий в обратном направлении.
Триодные тиристоры (риса) отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом. Рис. 4. Триодный тиристор
Изменяя ток можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом его включения.
Для того, чтобы запереть тиристор, нужно либо уменьшить рабочий ток до значения путем понижения питающего напряжения до значения, либо задать вцепи управляющего электрода импульс тока противоположной полярности.
Процесс включения и выключения тиристора поясняет рис. в. Если к нему через резистор R приложено напряжение U1 и ток вцепи управляющего электрода равен нулю, то тиристор заперт. Рабочая точка находится в положении а. Пи увеличении тока управляющего электрода рабочая точка перемещается по линии нагрузки 1. Когда ток управляющего электрода достигнет значения Iy1, тиристор включится, и рабочая точка его переместится в точку b. Для выключения (Iy = 0) необходимо уменьшить напряжение питания до значения . При этом рабочая точка из перейдет в аи при восстановлении напряжения – в точку а.
Выключить тиристор можно также путем подачи на управляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока.
Недостатком такого включения является большое значение обратного тока управляющего электрода, которое приближается к значению коммутируемого тока тиристора. Отношение амплитуды тока тиристора к амплитуде импульса выключающего тока управляющего электрода называется коэффициентом запирания. Он характеризует эффективность включения тиристора с помощью управляющего электрода. В ряде разработок
Тиристоры с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми. Основные параметры тиристоров
Напряжение переключения (постоянное -, импульсное -, десятки – сотни В.
Напряжение в открытом состоянии - падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии
Обратное напряжение - напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы – тысячи В.
Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии - максимальное значение прямого напряжения, при котором не происходит включения тиристора (единицы – сотни В.
Неотпирающее напряжение на управляющем электроде - наибольшее напряжение, не вызывающее отпирания тиристора (доли В.
Запирающее напряжение на управляющем электроде - напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы – десятки В.
24
Ток в открытом состоянии - максимальное значение тока открытого тиристора (сотни мА – сотни А.
Ток удержания (десятки – сотни мА.
Обратный ток (доли мА.
Отпирающий ток управления - наименьший ток управления электрода, необходимый для включения тиристора (десятки мА. Скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии – максимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (десятки – сотни В/мкс).
Время включения - время с момента подачи отпирающего импульса до момента, когда напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 своего начального значения (мкс – десятки мкс.
Время выключения - минимальное время, в течение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение (десятки – сотни мкс.
Рассеиваемая мощность (единицы – десятки Вт.
Обозначения тиристоров в соответствии с ГОСТ 10862 – 72 состоят из шести элементов. Первый элемент – буква К, указывающая исходный материал полупроводника второй – буква Н для диодных тиристоров и У для триодных третий – цифра, определяющая назначение прибора четвертый и пятый – порядковый номер разработки шестой – буква, определяющая технологию изготовления, например
КУ201А, КН102И и т.д. Интегральная микросхема представляет собой конструктивно законченное изделие электронной техники, содержащее совокупность электрически связанных в функциональную схему транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и других электрорадиоэлементов, изготовленных в едином технологическом цикле. Интегральные схемы (ИС) являются основным продуктом микроэлектронного производства. ИС является элементной базой средств электронной техники, предназначенной для преобразования, обработки и хранения информации. Для классификации ИМС используют следующие критерии Степень интеграции.
Это показатель сложности ИМС, который характеризуется количеством составляющих ее элементов и компонентов и определяется как где N– число элементов и компонентов. По степени интеграции ИМС делятся на
1. Простые – степень интеграции К (до 10 элементов и компонентов.
2. Средние - степень интеграции К (более 10, но менее 100 элементов и компонентов.
3. Большие - степень интеграции К (более 100, но менее 10 000 элементов и компонентов.
4. Сверхбольшие - степень интеграции К (более 10000 элементов и компонентов.
1 2 3 4
Конструктивно-технологические признаки. По этим признакам ИМС делятся на полупроводниковые, пленочные и гибридные.
1. Полупроводниковая ИМС – это интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме или на поверхности полупроводникового кристалла. Для изготовления полупроводниковых ИМС используют высокотемпературные процессы диффузии, эпитаксии, ионного легирования и т.п. В полупроводниковой интегральной микросхеме возможно изготовление любых пассивных и активных элементов – резисторов, конденсаторов, индуктивностей, транзисторов, диодов и т.п.
2. Пленочные ИМС – это интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок на поверхности диэлектрической подложки. Пленочные ИМС могут быть тонкопленочными (толщина слоев менее 1 мкм) и
толстопленочными (толщина слоев более 1 мкм. Первые изготавливают напылением пленок в вакууме, а вторые - трафаретным нанесением паст. В пленочных ИМС невозможно изготовление активных радиоэлементов – диодов, транзисторов и т.п.
3. Гибридная ИМС – это микросхема, которая содержит кроме элементов дискретные активные или пассивные компоненты и (или) кристаллы.
25 4. Совмещенные ИМС – это микросхема, которая представляет собой сочетание полупроводниковой ИМС с тонкопленочными элементами на поверхности активной подложки. По совмещенной технологии часто изготавливают цифро-аналоговые и аналогово-цифровые
ИМС, при этом по тонкопленочной технологии изготавливаются прецизионные и высокостабильные резисторы и конденсаторы. Достоинствами полупроводниковых ИМС являются малые габариты и масса кристалла, большая степень интеграции, возможность одновременного изготовления большого количества активных и пассивных элементов, а значит возможность изготовления идентичных по характеристикам активных элементов. Недостатками полупроводниковых интегральных микросхем являются низкая точность номинала резисторов и конденсаторов, существенная температурная зависимость сопротивления резисторов, невозможность изготовления катушек индуктивности, значительные паразитные связи между элементами ИМС. Достоинствами ГИМС являются малые затраты на разработку, простота технологии, возможность изготовления пленочных конденсаторов и катушек индуктивности, высокая температурная стабильность резисторов и возможность их подгонки. Кроме того, тонкопленочные ГИМС позволяют изготовлять точные номиналы резисторов за счет качества металлических пленок и возможности лазерной подгонки их номиналов. Недостатки ГИМС следующие большие габариты и масса, низкая степень интеграции, необходимость дополнительного монтажа активных и пассивных элементов, невозможность изготовления активных элементов водном процессе. Тип обрабатываемого сигнала. По типу сигнала ИМС делятся на аналоговые, цифровые, аналогово-цифровые и цифроаналоговые.
1. Аналоговые ИМС - это такие ИМС входными и выходными сигналами, которых являются сигналы, непрерывно изменяющиеся по амплитуде. Примером аналоговых ИМС могут служить усилители, генераторы, операционные усилители, трансиверы и т.п.
2. Цифровые ИМС - это такие ИМС входными и выходными сигналами, которых являются сигналы с уровнями лог или лог. Примерами цифровых микросхем могут служить различные логические устройства (И, ИЛИ, НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, счетчики, шифраторы, дешифраторы и т.п.
3. Аналогово-цифровые - ИМС это такие ИМС входными сигналами, которых являются сигналы, непрерывно изменяющиеся по амплитуде, а выходными сигналами являются сигналы с уровнями лог или лог. Примерами таких ИМС могут служить аналогово-цифровые преобразователи различного типа, цифровые фильтры и т.п.
4. Цифроаналоговые ИМС - это такие ИМС входными сигналами, которых являются сигналы с уровнями лог или лога выходными сигналами являются сигналы, непрерывно изменяющиеся по амплитуде. Примерами таких ИМС могут служить цифро-аналоговые преобразователи различного типа, частотные преобразователи и т.п. Функциональное назначение
1. Аналоговые ИМС делятся на
усилители различного типа (дифференциальные, инструментальные, операционные, мощности и т.п.),
генераторы аналоговых сигналов,
мультивибраторы,
приемопередатчики (трансиверы),
стабилизаторы напряжения и тока и т.п.
2. Цифровые интегральные микросхемы делятся на a) Комбинационные логические ИМС, которые выполняют логические функции, ноне обладают возможностью сохранения предыдущего состояния. Основой комбинационных логических ИМС являются логические элементы НЕ, И, ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. На основе комбинационных логических ИМС изготавливают различные шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов и т.п.
26 b) Последовательные ИМС, которые обладают возможность сохранения предыдущего состояния. Основой последовательных ИМС являются RS - триггер, D- триггер, триггер. На основе последовательных ИМС изготавливают регистры сдвига, ОЗУ, сложные триггеры, счетчики и т.п. c)
ИМС для вычислительной техники. К ним относятся микропроцессоры, микроконтроллеры, ИМС с программируемыми связями программируемая логика, интерфейсные ИМС и т.п. Степень защиты от внешних воздействий.
По степени защиты от внешних воздействий ИМС делятся на
1. Бескорпусные ИМС – это кристалл ИМС, не имеющий корпуса. Обычно такие ИМС используют как дискретные компоненты, входящие в состав более сложных ИМС или микросборок, которые в свою очередь имеют защитную оболочку.
2. Герметизированные – это ИМС, кристалл которых располагается в отдельном специально изготовленном корпусе.
3. Защита компаундом – это ИМС, кристалл которых защищен от внешней среды обволакиванием компаундом. В зависимости от технологических методов и конструкции полупроводниковые ИМС подразделяют на
1. планарно-диффузионные с изоляцией элементов р-n-переходами;
2. планарно-диффузионные с резистивной изоляцией элементов
3. планарно-эпитаксиальные с изоляцией элементов р-n-переходами;
4. планарно-эпитаксиальные с диэлектрической изоляцией элементов
5. совмещенные
6. изопланарные скомбинированной изоляцией
7. металл — диэлектрик — полупроводниковые на транзисторах с одним типом электропроводности (МДП-ИМС);
8. металл — диэлектрик — полупроводниковые на транзисторах с взаимодополняющими типами электропроводности (КМДП-ИМС). Полупроводниковые ИМС на основе МДП микроструктур. Полупроводниковая ИМС-это микросхема, элементы которой выполнены в поверхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники. (Рис.1.)
Рис.1. Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор. Изготовление других элементов подстраивается под базовый транзистор.
МДП-транзисторы относят к типу полевых (униполярных) транзисторов с изолированным затвором. Для получения пассивных элементов (резисторов и конденсаторов) используется базовая структура транзистора. В результате этого все элементы ИМС получают по определенной технологии. При этом
27 на одной пластине одновременно создаются от нескольких десятков до нескольких тысяч ИМС групповой метод, что удешевляет производство. После изготовления группы ИМС пластину разделяют на отдельные кристаллы (чипы, которые после тестирования и проверки работоспособности, индивидуально размещают в корпусе. При этом все выводы элементов ИМС располагаются на поверхности (планарный метода каждый элемент ИМС изолируется от другого каким-то способом (обратно смещенным р-п переходом, диэлектрической изоляцией и т.д.). После размещения в корпусе выводы от кристалла соединяют с выводами корпуса, далее проводится герметизация корпуса и тестирование готовой ИМС. Совершенство технологии определяет в конечном итоге и качество полученной ИМС. Конструкция ИМС на МДП-транзисторах представляет собой кремниевую пластину с электропроводностью n- или типа, в которой по планарной технологии создают МДП-структуры, объединенные между собой согласно электрической схеме с помощью металлических проводников, напыленных на поверхность защитного слоя из двуокиси кремния. Наиболее распространены МДП-структуры с изолированным затвором, в которых диэлектриком служит двуокись кремния. Особенностью конструкции МДП ИМС является использование только
МОП-структур (МОП-транзисторы служат в качестве активных и пассивных элементов, отсутствие изоляции между отдельными структурами, применение для внутрисхемных соединений, как металлизированных пленочных проводников, таки высоколегированных диффузионных областей. Технология производства ИМС на МДП - транзисторах занимает доминирующее место среди процессов изготовления ИМС. Это связано со следующими особенностями. Весь процесс изготовления ИМС на МДП - транзисторах сводится к изготовлению базовой структуры МДП - транзисторов и соединений между ними, т.к. МДП - структуры используют не только как транзисторы, но и как резисторы и конденсаторы.
2. Отсутствуют любые операции, связанные с изоляцией отдельных элементов ИМС друг от друга, поскольку МДП - структуры являются самоизолирующимися структурами.
3. Внутрисхемные соединения отдельных элементов выполняют не только на поверхности с помощью алюминиевых металлических слоев, но и с помощью внутренних высоколегированных диффузионных слоев, что обеспечивает многослойную разводку.
4. Число технологических операций в МДП - технологии существенно меньше.
5. Сравнительно легко водном кристалле создавать транзисторные структуры с различным типов канала, что дает возможность в схемотехнических решениях ИМС использовать комплементарные КМОП - транзисторы.
6. Базовые структуры МДП - транзисторов существенно меньше по размерам по сравнению с базовой структурой биполярного транзистора. Недостатком ИМС на МПД – транзисторах является более плохая воспроизводимость параметров МДП
– транзисторов из-за временной стабильности подзатворного окисла.
МДП-транзистор имеет четыре электрода исток, сток, затвори подложку. Полупроводниковая область, от которой начинается дрейф основных носителей, называется истоком, область, в которой осуществляется дрейф основных носителей и амплитудная модуляция дрейфового тока, каналом, область, к которой под действием поля движутся (дрейфуют) основные носители, - стоком, металлическая или полупроводниковая область, используемая для создания модуляции дрейфового тока, - затвором. Подложка является конструктивной основой МДП-транзистора. (Рис) Рис.
28 Принцип действия МДП-транзистора основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного слоя полупроводникового материала, расположенного между истоком истоком. Этот эффект вызывают наложением поперечного электрического поля в пространстве между проводящим затвором и полупроводниковым материалом (подложкой) за счет напряжения, подаваемого на затвор. Тип электропроводности канала обязательно совпадает с типом электропроводности областей истока истока. Так как тип электропроводности истока, стока и канала противоположен типу электропроводности подложки, то сток, истоки канал образуют с подложкой р-п переход. В зависимости от типа основных носителей тока в канале различают п-канальные и р-канальные КМДП- транзисторы. По конструктивно-технологическому исполнению МДП-транзисторы подразделяют на две разновидности со встроенными с индуцированным каналами. Встроенный канал предусмотрен конструктивно и создается на этапе производства транзистора легированием приповерхностной области между истоком истоком. Транзисторы со встроенными каналами могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, таки в режиме обогащения. Создавая электрическое поле в структуре металл - диэлектрик - полупроводник, можно управлять электропроводностью канала и соответственно током, протекающим между истоком истоком. Так, при отрицательном относительно канала напряжении на затворе в канале у границы полупроводника с диэлектриком концентрация электронов снижается, и проводимость канала уменьшается. В р-канальном МДП-транзисторе в зависимости от величины и полярности напряжения на затворе наблюдается обеднение или обогащение канала дырками.
Из всех типов униполярных транзисторов при изготовлении ИМС используется МДП – транзисторы с индуцированным каналом. Существует три основных технологии изготовления базовой структуры на МДП – транзисторах п- канальная, р-канальная и КМДП-технология. Для получения базовой структуры по р-канальной технологии используется подложка п-типа проводимости, в которой формируется МДП-транзистор с индуцированным р-каналом (рис. Для получения базовой структуры по п-канальной технологии используется подложка р-типа проводимости, в которой формируется МДП-транзистор с индуцированным п-каналом (рис. Рис. Рис Для получения ИМС по КМДП-технологии используется подложка п-типа проводимости, на основе которой формируются р-канальные МДП-транзисторы. Для получения п-канальных транзисторов в этой подложке предварительно создаются карманы с р- типом проводимости путем диффузии, которых и формируется п-канальный МДП-транзистор (рис.
29 Рис. Электрическое сопротивление канала зависит от его длины и ширины, оно модулируется напряжением на затворе зависит от напряженности наведенного поля в полупроводнике, обратно пропорционально толщине диэлектрика и прямо пропорционально диэлектрической проницаемости диэлектрика. Таким образом, для формирования индуцированного канала в канальном транзисторе на затвор необходимо подать положительное напряжение определенной величины, а в р-канальном - отрицательное. Транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения. В качестве материала затвора в транзисторных структурах используется алюминий, молибден, вольфрам или сильно легированный поликристаллический кремний, а в качестве материала подзатворного диэлектрика используют оксид кремния, нитрид кремния, оксид алюминия. При этом подзатворный диэлектрик может быть как однослойным, таки многослойным. В зависимости от этого, а также от способов совмещения затвора, существует достаточно большое число технологий п- канальная, р-канальная, самосовмещенная толстооксидная, изопланарная, КМДП-технология и т.п. В качестве диодов используются переходы “р-карман-исток”, “р-карман-сток”, “исток-подложка”,
“сток-подложка”. Проектирование резисторов по аналогии с биполярными ИМС в МДП ИМС является нецелесообразным по двум причинам
во-первых, площадь диффузионного резистора большого (более 20 кОм) номинала почти на порядок превышает площадь активного МДП-транзистора;
во-вторых, паразитная емкость
“резистор-подложка” диффузионного резистора значительна и существенно ухудшает частотные свойства ИМС. Поэтому для получения большой степени интеграции в МДП ИМС в качестве резисторов нагрузки широко используют нагрузочные МДП-транзисторы рис. Рис. Эти транзисторы имеют сходную структуру, а необходимый номинал резистора обеспечивается подачей на затвор нагрузочного МДП-транзистора определенного потенциала и подбором геометрических размеров канала.
МДП-транзисторы могут служить в схеме ив качестве конденсаторов, для чего можно использовать емкости структур затвор - подложка или емкости обратносмещенных р-п переходов сток (исток) - подложка. Требуемое значение емкости конденсатора обеспечивается площадью областей затвора, стока или истока МДП-транзистора. Таким образом, МДП-транзистор может быть основными единственным элементом МДП- микросхем. Он может выполнять функции - как активных приборов (ключевой транзистор в инверторе, усилительный транзистор, таки пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти. При проектировании МДП-микросхем можно обходиться только одним элементом - МДП-транзистором, конструктивные размеры которого и схема включения будут зависеть от выполняемой функции. Дальнейшее развитие технологии производства МДП ИМС идет по пути совершенствования методов совмещения областей, что позволяет уменьшить размеры базового элемента, по пути совершенствования подзатворного окисла, что позволяет повысить качество и надежность МДП-
30 транзистора и по пути уменьшения толщины подзатворного окисла, что позволяет повысить частотные свойства ИМС. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МДП-МИКРОСХЕМ Вспомогательные элементы в МДП-микросхемах предусматриваются для защиты приборов от воздействия статического электричества в процессе их производства и эксплуатации, а также для борьбы с паразитными каналами. Охранные диоды предусматриваются во входных цепях МДП-микросхем и предназначены для предотвращения пробоя подзатворного диэлектрика под действием зарядов статического электричества, накапливающегося на одежде и руках операторов, на инструменте монтажника и технологической оснастке. Заряд этот может быть любого знака. Диоды VD1 и VD2, подключенные к входной шине инвертора, позволяют положительному заряду стекать через диода отрицательному - через диод VD2. При проектировании охранных диодов необходимо обеспечить высокое напряжение прибоя р-п переходов диодов (более и. пи малые паразитные емкости. Первое требование выполняется использованием в качестве одной из областей диода VD1 низколегированной подложки, а для диода VD2 - низколегированной р-области. Второе требование выполняют минимизацией площади р-п переходов. Недостатками рассмотренной схемы защиты и конструкций охранных диодов являются уменьшение входного сопротивления МДП-микросхемы и появление входного тока утечки, а также то, что через входную цепь могут протекать большие токи, что приводит к разрушению диодов. Часто используют и более простые схемы защиты с одним охранным диодом. Охранные кольца. При наличии положительного встроенного заряда в толстом окисле и положительного потенциала на алюминиевых шинах разводки создаются условия для формирования паразитного индуцированного и-канала в приповерхностных участках кремния р-типа электропроводности с низким уровнем легирования. Увеличение толщины диэлектрика h т.д. над опасными участками не всегда возможно и не всегда гарантирует отсутствие паразитного канала. Эффективным средством против возникновения сквозных паразитных каналов является формирование кольцевой каналоограничивающей р+-области, в которой инверсия проводимости вследствие высокого уровня легирования поверхности практически невозможна. Для полного исключения возможности формирования паразитного канала нар+ -область охранного кольца можно подать самый низкий потенциал схемы. Паразитный р-канал может образоваться между р+-областью истока р-канального транзистора и p- областью, в которой расположен канальный транзистор, при отрицательном потенциале на алюминиевом проводнике. Вероятность появления этого канала тем выше, чем ниже уровень легирования подложки. Охранная кольцевая область типа, соединенная сточкой схемы, имеющей самый высокий потенциал (и. п, предотвращает появление сквозного паразитного канала на этом участке схемы. Применение охранных колец существенно увеличивает площадь элементов и снижает степень интеграции МДП-микросхем. Классификация Степень интеграции В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем Малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле Средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле Большая интегральная схема (БИС) - до 10000 элементов в кристалле Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - до 1 миллиона элементов в кристалле
·Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - до 1 миллиарда элементов в кристалле
·Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 миллиарда элементов в кристалле. В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов, и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом. Технология изготовления. Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).
·Плёночная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
31
·толстоплёночная интегральная схема
·тонкоплёночная интегральная схема. Гибридная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус. Вид обрабатываемого сигнала. микросхема аналоговая микросхема цифровая Микросхема аналого-цифровая. Аналоговые микросхемы - входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания. Цифровые микросхемы - входные и выходные сигналы могут иметь два значения логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ - логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ - логики при питании 5,2 В логическая единица - это 0,8…1,03 В, алогический ноль - это 1,6…1,75 В.
1 2 3 4
Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.
1. Общая часть. Проектирование топологии гибридных микросхем Особенности топологии и этапы разработки В основу разработки гибридных микросхем положены функционально-узловой метод конструирования и групповые методы изготовления. Это означает, что гибридную микросхему выполняют в виде функционально - законченного узла, предназначенного для решения определенной задачи дискретного или непрерывного преобразования электрических сигналов. Разработка гибридных микросхем представляет собой комплекс мероприятий, направленных на создание комплекта конструкторской документации, предназначенного для изготовления и контроля микросхем. Исходными данными для проектирования являются:(техническое задание для разработки микросхемы или серии микросхем. Техническое задание включает технические требования (функцию, электрические характеристики и параметры разрабатываемой микросхемы, напряжение питания и т.д.); эксплуатационные требования (по климатическими механическим воздействиям требования по надежности (время безотказной работы, средний срок службы и т.д.); требования к сохраняемости (в складских условиях, в полевых условиях конструктивные требования (тип и размер корпуса, масса, требования к выводами т.д.); принципиальная электрическая схема, разрабатываемая на основании технического задания и отработанная с учетом ее реализации в виде пленочной гибридной микросхемы;)технологические возможности и ограничения, те. сведения о технологических процессах и оборудовании, которые могут использоваться для изготовления гибридных микросхем.Проектирование гибридных микросхем осуществляется в такой последовательности анализ технического задания расчет пленочных пассивных элементов с учетом схемотехнических требований и технологических возможностей;3)разработка коммутационной схемы и определение площади подложки;4)разработка эскиза топологии;5)контрольно-проверочные расчеты;6)разработка окончательного варианта топологии;7)разработка послойных чертежей;8)оформление и выпуск технической документации. Проектирование топологии тонкопленочных гибридных микросхем пленочный конденсатор гибридный микросхема Основным завершающим этапом процесса конструирования является разработка топологического чертежа микросхемы и ее оптимизация. Топологический чертеж микросхемы представляет собой конструкторский документ, строго определяющий ориентацию и взаимное расположение всех элементов микросхемы на площади подложки, а также форму и размеры пассивных элементов. Он составляется с учетом ряда требований и ограничений, связанных с принципом работы и назначением данной микросхемы. Иначе говоря, топологический чертеж, или просто топология микросхемы, есть документ, предопределяющий оптимальное размещение элементов микросхемы на подложке, обеспечивающий изготовление микросхемы с заданными техническими и электрическими параметрами. Топологический чертеж является основным документом, по которому можно оценить возможный характер и величину паразитных связей в микросхеме, рассчитать тепловые режимы ее
1. Общая часть. Проектирование топологии гибридных микросхем Особенности топологии и этапы разработки В основу разработки гибридных микросхем положены функционально-узловой метод конструирования и групповые методы изготовления. Это означает, что гибридную микросхему выполняют в виде функционально - законченного узла, предназначенного для решения определенной задачи дискретного или непрерывного преобразования электрических сигналов. Разработка гибридных микросхем представляет собой комплекс мероприятий, направленных на создание комплекта конструкторской документации, предназначенного для изготовления и контроля микросхем. Исходными данными для проектирования являются:(техническое задание для разработки микросхемы или серии микросхем. Техническое задание включает технические требования (функцию, электрические характеристики и параметры разрабатываемой микросхемы, напряжение питания и т.д.); эксплуатационные требования (по климатическими механическим воздействиям требования по надежности (время безотказной работы, средний срок службы и т.д.); требования к сохраняемости (в складских условиях, в полевых условиях конструктивные требования (тип и размер корпуса, масса, требования к выводами т.д.); принципиальная электрическая схема, разрабатываемая на основании технического задания и отработанная с учетом ее реализации в виде пленочной гибридной микросхемы;)технологические возможности и ограничения, те. сведения о технологических процессах и оборудовании, которые могут использоваться для изготовления гибридных микросхем.Проектирование гибридных микросхем осуществляется в такой последовательности анализ технического задания расчет пленочных пассивных элементов с учетом схемотехнических требований и технологических возможностей;3)разработка коммутационной схемы и определение площади подложки;4)разработка эскиза топологии;5)контрольно-проверочные расчеты;6)разработка окончательного варианта топологии;7)разработка послойных чертежей;8)оформление и выпуск технической документации. Проектирование топологии тонкопленочных гибридных микросхем пленочный конденсатор гибридный микросхема Основным завершающим этапом процесса конструирования является разработка топологического чертежа микросхемы и ее оптимизация. Топологический чертеж микросхемы представляет собой конструкторский документ, строго определяющий ориентацию и взаимное расположение всех элементов микросхемы на площади подложки, а также форму и размеры пассивных элементов. Он составляется с учетом ряда требований и ограничений, связанных с принципом работы и назначением данной микросхемы. Иначе говоря, топологический чертеж, или просто топология микросхемы, есть документ, предопределяющий оптимальное размещение элементов микросхемы на подложке, обеспечивающий изготовление микросхемы с заданными техническими и электрическими параметрами. Топологический чертеж является основным документом, по которому можно оценить возможный характер и величину паразитных связей в микросхеме, рассчитать тепловые режимы ее
32 элементов и микросхемы в целом, определить надежность с учетом не только режимов работы, но и рабочих температур элементов. Только по одной принципиальной схеме изделия это выполнить невозможно. При разработке топологических чертежей микросхем необходимо учитывать следующие специфические особенности.Все схемные элементы гибридных микросхем, кроме активных компонентов, формируются с высокой плотностью на поверхности подложки. Это приводит к увеличению паразитных взаимодействий между основными элементами схемы и к появлению новых паразитных элементов, а также к усилению теплообмена между элементами и повышению уровня собственных шумов.Все схемные элементы гибридных микросхем, кроме навесных компонентов, должны изготовляться за один технологический цикл, что исключает предварительную отработку и удаление дефектных элементов.Непосредственно перед разработкой топологии микросхемы составляется схема расположения, называемая также коммутационной. При ее составлении за основу принимается принципиальная электрическая схема, преобразованная с учетом конструктивных особенностей элементов, компонентов и межсоединений. Так, в частности, сокращается по возможности число пересечений проводников, в соответствии с техническими требованиями к топологии располагаются внешние контактные площадки, указываются места расположения навесных компонентов, а для присоединения их выводов предусматриваются внутренние контактные площадки. Кроме того, в некоторых случаях вводятся дополнительные контактные площадки для того, чтобы обеспечить возможность независимого контроля параметров пассивных элементов. Исходными данными для разработки топологии гибридных микросхем являются коммутационная схема размер платы и тип корпуса геометрические размеры и форма пленочных элементов геометрические размеры компонентов конструктивные и технологические ограничения, которые зависят от технологического метода создания пленочных элементов масочного М, фотолитографического (Ф, комбинированного масочного и фотолитографического (МФ), электронно- ионного (ЭИ), танталового (ТА. Начальный этап разработки топологии заключается в изготовлении эскиза, который выполняется в масштабе 10:1 или 20:1. Разработку эскиза топологии рекомендуется выполнять в два этапа. Сначала решается задача оптимального размещения элементов на подложке, причем необходимо стремиться к минимизации и равномерному использованию площади платы. После размещения элементов осуществляют межэлементные межкомпонентные соединения, или, иначе говоря, разводку трассировку) проводников на плате. При разводке проводников межэлементного монтажа на плате исходят из определенных общих требований. Главные ихних сводятся к минимизации длин проводников, числа их пересечений и монтажной емкости. Указанные требования в известной степени противоречивы. Для их удовлетворения необходимо при проектировании гибридных микросхем придерживаться ряда правил. Например, пленочные проводники должны иметь минимальную длину, высокочастотные входные и выходные проводники должны быть как можно дальше отнесены друг от друга. В каждом конкретном случае схема трассировки проводников достаточно жестко привязана к определенному размещению элементов. Если все практически возможные варианты трассировки признаны неудовлетворительными, то изменяют расположение элементов на плате. Эта операция повторяется до тех пор, пока не будет решена задача трассировки. При разработке эскиза топологии необходимо учитывать, что допускается установка навесных компонентов на пленочные проводники и резисторы, защищенные пленкой диэлектрика, ноне следует их устанавливать на пленочные конденсаторы и пересечения пленочных проводников. Навесные компоненты рекомендуется располагать рядами, параллельно сторонам платы. Разработанная топология должна соответствовать принципиальной электрической схеме удовлетворять всем конструктивным, технологическими электрическим требованиям обеспечивать возможность измерений электрических параметров пленочных элементов и нормальную работу микросхемы в заданных условиях эксплуатации иметь требуемый уровень надежности. Проверка правильности разработки топологии гибридной микросхемы осуществляется в следующей последовательности. Сначала проверяют соответствие топологии принципиальной электрической схеме, внешних контактных площадок выводам корпуса, конструктивно- технологическим требованиями ограничениям. Затем проверяют наличие в схеме пересечения пленочных проводников и защиту их диэлектриком, возможность контроля элементов и обеспечения нормального функционирования микросхем при заданных условиях эксплуатации. Для этого проводят оценку емкостных и индуктивных связей и тепловой расчет.