Принцип работы асинхронного двигателя Проектирование интегральных микросхем Электронные усилители Принципы построения генераторов Транзисторы с контактными переходами Шоттки Проектирование полевых структур


Практические возможности интегральной технологии

Интегральная микросхема (ИМС) - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое.

Полупроводниковые диоды

Выпрямительный полупроводниковый диод

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним  переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода. Применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно.

Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными. Плоскостные диоды малой и средней мощности широко используют в схемах питания радиоаппаратуры, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производствах.

Вольт–амперная характеристика полупроводникового диода приведена на рисунке 13.1а.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n – типа, с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка (рис. 13.1б). На заключительной стадии изготовления в диоде создают большой ток (несколько ампер), стальную проволочку вплавляют в полупроводник n – типа, образуя область с электропроводностью p – типа.

Все полупроводниковые диоды подразделяют на два класса: плоскостные (рис. 13.2а) и точечные (рис. 13.2б). В плоскостных диодах  – переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у полупроводников различных типов лежит в пределах от сотых долей квадратного микрометра (микроплоскостные диоды) до нескольких квадратных сантиметров (силовые диоды).

Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения. Рабочим участком характеристики стабилитрона является область пробоя обратной ветви вольт–амперной характеристики перехода, которая почти параллельна оси токов, а рабочим напряжением – напряжение пробоя (рис. 13.3а). При ограничении протекающего тока состояние пробоя в стабилитроне может поддерживаться и воспроизводиться в течение десятков тысяч часов.

 40 

 


 8 0,8

 20

 Рис. 13.3

  Стабилизацию постоянного напряжения можно также получить с помощью диода, включенного в прямом направлении. Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами.

13.3. Туннельные диоды

Туннельным называется полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через  – переход и в характеристике которого имеется область отрицательного

 


 Рис. 13.4

дифференциального сопротивления. Туннельные диоды отличаются очень малым удельным сопротивлением p – и n – областей и весьма малой толщиной  – перехода. Если к туннельному диоду приложить небольшое прямое напряжение, то он будет вести себя как проводник вплоть до некоторого критического напряжения, при котором энергия дна зоны проводимости n – области сравняется с потолком валентной зоны p – области. При этом туннельный эффект прекращается, поскольку для электронов зоны проводимости не оказывается разрешенных энергетических состояний по другую сторону перехода. При прямом напряжении, превышающем напряжение отсечки туннельного тока, проводимость, как и в обычном диоде, целиком обеспечивается тепловым возбуждением электронов. Результирующая вольт – амперная характеристика туннельного диода определяется комбинацией туннельных и тепловых свойств (рис. 4.4) и имеет необычный вид. В той части характеристики, в которой туннелирование заменяется током, обусловленным тепловым возбуждением электронов, с ростом смещения происходит резкое уменьшение тока.

13.4. Импульсные диоды

 Импульсные диоды предназначены для работы в режиме переключения и находят наиболее широкое применение в различных электронных устройствах вычислительной техники. Диоды, работающие в схемах, должны обладать хорошими высокочастотными свойствами; длительность переходных процессов в диодах должна быть сведена к минимуму.

Для   – перехода диода подадим вертикальный четырехугольный импульс (рис. 12.5а). При протекании через диод прямого тока в базе вблизи  – перехода создается избыточная концентрация не основных неравновесных носителей заряда. Величина накопленного заряда тем больше, чем больше прямой ток и время жизни дырок в базе, и зависит от геометрии базы. Избыточная концентрация может во много раз превышать равновесную концентрацию не основных носителей в базе. После прекращения прямого тока неравновесный заряд не может исчезнуть мгновенно и сохраняется в базе в течение времени жизни не основных носителей .

При быстром изменении прямого напряжения на обратное (запирающее) в первый момент времени наблюдается резкое увеличение обратного тока, а следовательно, и снижение обратного сопротивления перехода. Возникновение обратного броска тока обусловлено тем, что избыточные дырки, находящиеся в базе на расстоянии диффузионной длины от перехода, втягиваются полем перехода обратно в р – область. Лишь после того как концентрация дырок в базе достигает своего равновесного значения за счет рекомбинации с электронами и утечки дырок через   – переход, ток спадает до своего установившегося значения, а обратное сопротивление диода восстанавливается до высокого статистического значения. Интервал времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток достигает заданного значения, называется временем восстановления обратного сопротивления (тока) и обычно обозначается . Наибольшее значение обратного тока через диод после переключения напряжения называется максимальным током восстановления (Iв.макс).

Наиболее эффективным методом снижения величины  является уменьшение времени жизни не основных носителей заряда в базе и уменьшение геометрических размеров активных областей выпрямляющих структур.

Наличие избыточной концентрации носителей заряда в базе приводит также к снижению прямого сопротивления диода. После подачи на диод прямого напряжения электропроводность базы будет возрастать постепенно по мере заполнения ее носителями заряда. Поэтому прямое сопротивление диода в переходном режиме оказывается большим, чем в статическом (рис. 35б). Интервал времени между началом протекания через диод прямого тока заданной величины и моментом, когда напряжение на диоде достигает величины  от установившегося значения, называют временем установления прямого сопротивлени (напряжения) и обычно обозначают .

 

 

 Рис. 13.5

Отношение наибольшего значения амплитуды импульса прямого напряжения на диоде к току, протекающему через диод, называется наибольшим импульсным сопротивлением (Rи.макс).

Если к диоду было приложено прямое напряжение Uпр, то после снятия его до нуля (а не переключения на обратное), напряжение на диоде скачком уменьшается от Uпр до некоторого после инжекционного напряжения U > 0, которое и будет постепенно спадать до нуля (рис. 13.5в). Скачок напряжения обусловлен исчезновением падения напряжения на омическом сопротивлении базы от протекающего прямого тока. Избыточная же концентрация в базе не может измениться мгновенно, поэтому без изменения останется и падение напряжения на самом  – переходе. По мере спада избыточной концентрации уменьшается остаточное (после инжекционное) напряжение на диоде. Процесс установления нулевого напряжения на диоде после снятия внешнего прямого напряжения является самым медленным из всех рассмотренных переходных процессов, т.к. исчезновение избыточных носителей в базе в этом случае происходит только за счет процесса рекомбинации.

Диффузионные и дрейфовые явления в полупроводниках В полупроводниках если длина свободного пробега электрона или дырки значительно меньше толщины барьера, т.е. электрон или дырка испытывает в процессе перехода много столкновений с решеткой, то применяют для вычисления тока через потенциальный барьер диффузионную теорию. Она справедлива для полупроводников с малой концентрацией носителей заряда и малой длиной свободного пробега, например для закиси меди, селена и др.

Потенциальный барьер при  переходе

Пробои  перехода В зависимости от удельного сопротивления полупроводника, типа  – перехода, формы и величины приложенного напряжения, окружающей температуры и условий теплоотвода, состояния поверхности и других факторов физическая природа пробоя может быть различной

  Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости  – перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Состав радиоэлементов БПТ ИМС

В электрические схемы цифровых и аналоговых электронных устройств с БПТ входят следующие радиоэлементы:

биполярные транзисторы, резисторы, диоды, конденсаторы, прочие радиоэлементы.

Электрические схемы, после определенной доработки, могут быть реализованы в микроэлектронном исполнении в виде микросхем. Доработка схем предполагает приведение параметров образующих радиоэлементов и режимов их функционирования в область значений, допустимых для исполнения радиоэлементов в виде элементов кристаллов. Если для ряда радиоэлементов доработка схем не позволяет избежать значений параметров, несовместимых с исполнением на кристалле, то принимается решение об исполнении схемы в виде гибридной ИМС или переходе к узлам с печатным или объемным исполнением. Для принятия решений в процессе проектирования микроэлектронной аппаратуры в подобных ситуациях необходимо знать и уметь учитывать ограничения на параметры радиоэлементов, выполненных по полупроводниковой или пленочной технологии.

Резисторы исполняются в эмиттерном, базовом или коллекторном слоях транзисторной структуры. Резисторы от других элементов схемы в кристалле изолируются p-n-переходом или, если слой коллекторный, изоляцией, принятой для изоляции коллекторов БПТ. Конструкция резистора представляет собой полосу в слое, от которой с двух сторон предусмотрены отводы.

Диоды широко применяются в аналоговых и цифровых устройствах в качестве функциональных элементов задания режима БПТ или выполнения функциональных преобразований цифровых и непрерывных сигналов. В диодах микроэлектронных конструкций могут использоваться от одного до трех p-n-переходов транзисторной структуры. Применяемость диодов, исполненных на одном p-n-переходе, ограничена, так как один из электродов диода должен быть совмещен с общим выводом ИМС, т.е. с несущим основанием (пластиной).

Конденсаторы в аналоговых устройствах, в отличие от цифровых, применяются достаточно широко. Проблемой применения конденсаторов в микроэлектронных конструкциях (в ИМС в частности) является ограниченный номинал емкости микроэлектронных конденсаторов. В полупроводниковых ИМС (ППИМС) в качестве конденсаторов используются барьерные емкости обратно смещенных p-n-переходов или емкости, образованные металлическими пленками и слоем полупроводниковой структуры, разделенных слоем диэлектрика.

В таких конденсаторах конструктивно-технологические ограничения не допускают числа обкладок более двух, и поэтому достижимое значение емкости однозначно определяется площадью перекрытия двух обкладок.. Площадь, отводимая в ППИМС под размещение одного конденсатора, не превышает целесообразные пределы (0,01–0,03) мм2. Величина удельной емкости конденсаторных структур в ППИМС составляет (50–200) пф/мм2. В проектировании электрических схем, особенно для цифровых ППИМС, стремятся избегать применения конденсаторов. Конденсаторы емкостью более (10–50) пф для ППИМС предпочтительно выносить за пределы кристаллов ИМС и использовать объемные компоненты в составе гибридных микросхем или иных конструкций с печатным монтажом.

Вопросам проектирования перечисленных радиоэлементов посвящены соответствующие подразделы пособия.

Современные технологии проектирования и производства интегральных микросхем открывают возможности интегрирования в свою структуру трехмерных элементов, в частности прямоугольных волноводов и объемных резонаторов на их основе. Такая технология получила название SIW-технология. Интегрированный в подложку волновод - Substrate Integrated Waveguide (SIW) представляет собой волноводоподобную структуру, созданную двумя рядами металлических цилиндров, соединяющих две параллельные металлические пластины, ограничивающих диэлектрическую подложку.
Полевые элементы устройств хранения информации