загрузка...
загрузка...
На головну

біполярні транзистори

  1. біполярні розлади
  2. Біполярні схеми для коефіцієнтів визначеності
  3. Біполярні транзистори.
  4. біполярні фототранзистори
  5. польові транзистори
  6. Польові транзистори з ізольованим затвором

1 .. Яке з наведених співвідношень струмів в біполярному транзисторі є правильним?

2.В якому напрямку включаються емітерний і колекторний р- п-переходить біполярного транзистора?

1. Це залежить від типу транзистора (П-р-п або р - п- р).

2. Обидва переходу в прямому напрямку.

3. Емітерний - в зворотному, колекторний - у прямому.

4. Емітерний - в прямому, колекторний - у зворотному.

3.Транзистор КТ включений по схемі із загальною базою (ріс.49). Чи можуть перевищувати одиницю коефіцієнт посилення по току Kt і коефіцієнт посилення по напрузі Ки1

1. Обидва коефіцієнта можуть.

2. КI може, КU не може.

3. KI не може, KU може.

4.Р.При включенні біполярного транзистора за схемою із загальною базою коефіцієнт посилення по току дорівнює 0,95. Чому буде дорівнює коефіцієнт посилення по току біполярного транзистора, якщо його включити за схемою з загальним емітером, як показано на ріс..50?

1.0,95. 2.0,05. 3.19. 4.20.

5.Р.У транзисторі марки КТ315А, включеному по схемі із загальним емітером, струм бази змінився на 0.1 мА. Як при цьому зміниться струм емітера, якщо коефіцієнт посилення ? = 0,975?

1.4мА. 2.0,4мА. 3.40мА.


 Мал. 49

6.Р.Знайдіть h-параметри транзистора ГТ322Б по його вхідний (рис. 50, а) і вихідний (рис. 50, б) характеристикам, відповідним схемою з загальним емітером для UK = 5 В і IБ = 150 мкА. Накресліть схему заміщення транзистора. Визначте, який з відповідей є невірним.

1.h11 = 330Ом.

2. h12 = 16 * 10--3.

З.h2 [= 46.

4. h22 = 10 -6Див.

5. h22= 10-4

Ріс.50

7.Р.Знайдіть коефіцієнти підсилення по напрузі Ки і по току КI, вхідний RBX и вихідна RBихi опору підсилювального каскаду з загальним колектором (рис. 51) на транзисторі ГТ322Б, у якого h11 = 330 Ом, h21 = 46, h22 = 10-4 См, якщо опір резистора Rе = 1 кОм. Визначте, який з відповідей є невірним.

Мал. 51

1. KU= 9.92

2. KU= 0,992.

 3. KI = 40,9.

4. RВХ = 41,25 кОм.

5. RВИХІД = 7Oм


8. На рис. 52 наведені графіки залежності відносних коефіцієнтів посилення по току а / щ і р / рп біполярного транзистора в функції частоти / (а - коефіцієнт посилення в схемі з ПРО, р - коефіцієнт посилення в схемі з ОЕ, ат Ро - ті ж коефіцієнти при низькій частоті).

У діапазоні частот 800 ... 1000 Гц коефіцієнти аїр залишаються постійними. З підвищенням частоти аїр знижуються. частоти /а і / $ - Граничні частоти, на яких а і Р знижуються в V2 раз.

Визначте за графіками, в області яких частот знижуються коефіцієнти аїр.

1. В області низьких частот.

2. В області середніх частот.

3. В області високих частот.

9. На рис. 50 приведена схема підсилювального каскаду з загальним емітером. В якому напрямку зміщені емітерний і колекторний переходи транзистора VT, працюючого в режимі відсічення?

1. Обидва переходу зміщені у зворотному напрямку.

2. Обидва переходу зміщені в прямому напрямку.

3. Емітерний перехід зміщений в прямому напрямку, а колекторний - у зворотному.

4. Емітерний перехід смешен в зворотному напрямку, а колекторний - у прямому.

Мал. 52.

10.В якому напрямку зміщені емітерний іколлекторний переходи транзистора VT (Див. Рис. 50), якщо він знаходиться в активному режимі?

1. Обидва переходу зміщені у зворотному напрямку.

2. Обидва переходу зміщені в прямому напрямку.

3. Емітерний перехід зміщений в прямому напрямку, а колекторний - у зворотному.

4. Емітерний перехід зміщений у зворотному напрямку, а колекторний - у прямому.

11.В якому напрямку зміщені емітерний і колекторний переходи транзистора VT (Див. Рис. 50), якщо він знаходиться в режимі насичення?

1. Обидва переходу зміщені у зворотному напрямку.

2. Обидва переходу зміщені в прямому напрямку.

3. Емітттерний перехід зміщений в прямому напрямку, а колекторний - у зворотному.

4. Емітерний перехід зміщений у зворотному напрямку, а колекторний - у прямому.

12.В якому режимі роботи транзистора VT (Див. Рис. 50) відбувається посилення вхідного сигналу Uвх до рівня вихідного сигналу U ВИХІД?

1 .У режимі відсічення.

2. В активному режимі.

3. У режимі насичення.

13.Р.На рис. 53, а приведена схема підсилювального каскаду з загальним емітером на транзисторі ГТ322Б, а на рис. 53, 6 - його схема заміщення.


 Мал. 53

Розрахуйте опір резистора RБ, при якому робоча точка буде знаходитися на середині лінійних ділянок вхід ної і вихідний характеристик, якщо Ек= 10 В і RK= 1 кОм.

Визначте коефіцієнти підсилення по напрузі КU по току КI по потужності кр, а також вхідний RBX і вихідна Rви, Опору підсилювального каскаду. значення h-параметрів і характеристики транзистора ГТ322Б візьміть з завдання 1.14, значення h12 прийміть рівним нулю.

Визначте, який з відповідей є невірним.

1. RБ = 64, Зк0м.

2.KU= 140.

3. KI = 46,2.

4.KP = 6468.

5. Rвх= 330 Ом.

6. Rвих =1кОм.

7. RБ = 6,43к0м.

польові транзистори

14.Серед перерахованих висловлювань про польових транзисторах (ПТ) знайдіть неправильне.

1. Сток, витік і затвор ПТ не є аналогами колектора, емітера і бази біполярного транзистора.

2. Як аналогових перемикачів і підсилювачів з надвисокою вхідним опором ПТ не мають собі рівних.

3. ПТ доцільно використовувати в якості резисторів, керованих напругою (нелінійних резисторів), і джерел струму.

4. ПТ особливо корисні в інтегральних мікросхемах (ІМС) для створення великих інтегральних схем (ВІС), які застосовуються в мікрокалькуляторах, мікропроцесорах, пристроях пам'яті.

5. Сток, витік і затвор ПТ є аналогами колектора, емітера і бази біполярного транзистора.

6. Існують п-канальні і р-канальні ПТ з керуючим р- п-переходить і ПТ з ізольованим затвором (МОП-транзистори).

15.В якому напрямку включені р-п-переходить затвора польового транзистора, показаного на рис. 54?

1.В прямому.

2.В зворотному.

3.Направленіе не має значення.

16.Як зміниться струм стоку Iс при збільшенні напруги UЗІ на затворі 3 польового транзистора (рис. 55) щодо витоку І?

1.Не зміниться.

2.Увелічітся.

 Мал. 54

3.Уменьшітся

Мал. 55

17.Стічна і передавальна характеристики польового транзистора з керуючим р -п-переходить наведені відповідно на рис. 56, а и б. Яке з перерахованих висловлювань, зроблених на підставі цих характеристик, неправильне?

1. На ділянці I (UЗ | Ісі.нас) Струм Iс і напруга UCИ пов'язані із законом Ома. Ця ділянка використовується при роботі транзистора в якості резистора.

2. На ділянках насичення II канал перекритий (режим насичення). На цих пологах ділянках відбувається робота транзистора в усилительном режимі.

3. На ділянці III робота неможлива, так як тут відбувається пробій р-п-переходу між затвором і каналом.

4. Польовий транзистор з керуючим р - п-переходить може працювати в режимах збіднення та збагачення.

5 Польовий транзистор з керуючим р -п-переходить може працювати тільки в режимі збіднення.

18. Визначте крутизну характеристики S = dIС/ dUЗІ польового транзистора КП103Л, якщо при зміні напруги на затворі на 1,5 В струм стоку змінився на 2,25 мА.

1.0,5мА / В. 2. 1,0мА / В. 3. 1,5 мА / В.

19. Визначте коефіцієнт посилення Ки підсилювального каскаду (рис. 57) на польовому транзисторі КШОЗМ при Rc = 4ком, якщо крутизна характеристики S = dIС / dUЗІ = 2,5 мА / В. Ланка автоматичного зміщення RИ- Си і розділові конденсатори С і Сс не враховувати.

1. Ки= 5.2. Ки = 10. 3. Ки=15.

Ріс.56.

20. Яке з висловлювань про МОП - транзисторі з вбудованим каналом, схема якого наведена на рис. 58, неправильне?

1. При UЗІ = 0 характер зміни струму стоку Ic подібний до характеру зміни струму IС в польовому транзисторі з керуючим р - n-переходить.

2. При UЗІ < 0 буде мати місце режим збідніння.

 ес

Ріс.57.

3.При UЗІ < 0транзістор буде працювати в режимі збагачення.

4. Якщо UЗІ > 0, настане робота в режимі збіднення.

5.МОП-транзистор з вбудованим каналом може працювати як в режимі збагачення, так і в режимі збіднення.

21. Яке з висловлювань про МОП-транзисторі з індукованим каналом, схема якого показана на ріс.59, неправильне?

1. При UЗІ = 0 канал між І і С відсутня і Iс = 0.

2. При UЗІ <0 станеться інверсія типу провідності між І і С, утворюється тонкий каналу-типу і транзистор почне проводити струм, якщо |UЗІ|> |UЗІ ПОР?

3. МОП-транзистор з індукованим каналом може працювати тільки в режимі збіднення.

4. МОП-транзистор з індукованим каналом може працювати тільки в режимі збагачення.

Мал. 58



Мал. 59

Мал. 60

22.Яка з передавальних характеристик IС = F (UЗІ), представлених на рис. 60, належить польовому МОН-транзистора з індукованим каналом?

1.1. 2. II. А.К.

23. Які елементи доцільно використовувати для перетворення електричної енергії великих потужностей?

1. Біполярні транзистори.

2. Польові транзистори.

3. Тиристори.

ІНТЕГРАЛЬНІ МІКРОСХЕМИ

Основні поняття, види і класифікація інтегральних мікросхем

Успіхи сучасної електронної техніки в значній мірі визначають технічний рівень різних галузей промисловості. Поліпшення характеристик радіоелектронних, телекомунікаційних і обчислювальних систем неминуче призводить до ускладнення цих систем, в результаті чого зростає ймовірність виходу їх з ладу, збільшуються габаритні розміри, маса і споживана потужність обладнання. Постійне ускладнення і вимога мініатюризації радіоелектронної апаратури зумовили пошук принципово нових шляхів створення елементної бази на основі мікроелектроніки. Особливістю сучасного етапу розвитку електронної техніки є впровадження мікроелектроніки в усі електронні пристрої, що працюють в різних галузях народного господарства.

мікроелектроніка - Це науково-технічний напрям електроніки, яке на основі використання комплексу фізичних, хімічних, схемотехнічних і технологічних методів вирішує завдання створення мініатюрних електронних пристроїв - інтегральних мікросхем, що містять велику кількість електронних елементів.

Першим поколінням елементної бази радіоелектронної апаратури були електронні лампи, другим - напівпровідникові прилади, третім - інтегральні мікросхеми (ІМС), четвертим - великі інтегральні схеми (ВІС). Зараз починає розвиватися функціональна мікроелектроніка, в основі якої лежать мікроелектронні пристрої, що виконують певні функції (наприклад, перетворення Фур'є, посилення з логарифмічним масштабуванням і згладжуванням і т.п.).

Виготовлення напівпровідникових інтегральних схем (ІС) вимагає великих капітальних витрат на технологічне устаткування.

Технологічний процес виготовлення ІС складний, вимагає використання особливо чистих матеріалів і роботи кваліфікованого персоналу. Особливо складні розробка схеми і техпроцесу, тобто від моменту видачі технічного завдання на проектування до виходу придатної мікросхеми проходить багато часу, що окупається можливістю створення великої партії ІС в єдиному або багаторазово повторюється технологічному циклі. Тому розробка і впровадження технології напівпровідникових мікросхем економічно доцільні тільки в умовах масового виробництва.

Розрізняють Товстоплівкові і тонкопленочную технології виробництва ІС.

Толстоплепочная технологія полягає в нанесенні емульсійних шарів методом типографського друку с наступним сушінням і відпалом. Цим методом отримують, як правило, пасивні елементи (резистори, індуктивності і ємності), а нелінійні і активні елементи (діоди і транзистори) потім впаивают. Технологія виготовлення схем на основі товстих плівок є порівняно простотою і не вимагає складного і дорогого обладнання. Тол сто плівкові ІС характеризуються високою надійністю при невеликій собівартості.

при тонкопленочной технології шари напівпровідників, ізоляторів і металів наносяться в вакуумних установках молекулярно-пучковим або плазмохімічним методом. Ці методи дозволяють робити будь-які елементи і складні схеми з послідовно наносяться шарів по малюнку, що задається метолом фотолитографии. Товщина плівок в цій технологи становить від 0,5 до 1,5 мкм, ширина ліній або проміжків між ними може досягати 0,5 мкм. Чим менше розміри активних елементів, тим більше складну ІМС можна створити на одному кристалі. Тому зараз здійснюється перехід на ультрафіолетову фотолитографию, що дозволяє виготовляти ІМС з розмірами елементів 0,3 мкм. Розробляється також принципово нова нанотехнологія, що дозволяє отримувати ІС з розмірами елементів 10 нм.

Види і рівень складності ІМС. За конструктивним виконанням ІС діляться на напівпровідникові и гібридні. У гібридної ІС містяться тонкоплівкові або товстоплівкові пасивні елементи і напівпровідникові активні навісні елементи - компоненти ІС. Гібридна товстоплівкова технологія краща в тих випадках, коли необхідно виготовити порівняно невелика кількість спеціалізованих мікросхем - микросборок.

Основною перевагою напівпровідникових ІМС є можливість виготовлення безлічі високоякісних електронних елементів по тонкоплівкової технології з високою щільністю елементів. При цьому допуски на параметри елементів можуть бути доведені до 2%, що важливо в тих випадках, коли точність номіналів параметрів пасивних елементів і їх стабільність мають вирішальне значення (наприклад, при виготовленні деяких видів фільтрів, фазочуттєві і виборчих схем, генераторів тощо .).

Одне з головних достоїнств виробів мікроелектроніки - забезпечення значного підвищення надійності апаратури завдяки високій надійності ІМС, значного зменшення числа з'єднань і можливості резервування як цілих вузлів, так і окремих елементів. Оскільки паяні з'єднання в мікросхемах відсутні, а з зовнішніх з'єднань підлягають лайці лише вхідні і вихідні висновки, ймовірність виходу з ладу мікросхеми внаслідок порушення з'єднань не більше, ніж у дискретних напівпровідникових приладів, наприклад транзисторів. Інтенсивність відмов напівпровідникових мікросхем в даний час складає 10 ~9 1 / ч. Висока надійність мікросхем визначається в першу чергу високим рівнем автоматизації виробництва, чистотою на робочих ділянках і якістю вихідних матеріалів.

Розвиток мікроелектроніки забезпечує створення малогабаритних, надійних і економічних обчислювальних машин і систем з використанням великої кількості однотипних елементів. Тому в першу чергу створювалися різні типи логічних мікросхем. Широке поширення отримали логічні мікросхеми на біполярних транзисторах, побудовані на основі транзисторних-транзисторної логіки (ТТЛ).

Гібридні ІС застосовуються в приймально-передаюшей апаратурі зв'язку, підсилювачі високої частоти, мікрофонні підсилювачі, СВЧ пристроях і т.д. Мікросхеми знаходять все більше застосування в побутовій мовної апаратурі (наприклад, всі каскади телевізорів з малим рівнем сигналу збираються на мікросхемах). На типових мікросхемах виконуються електронні пристрої відеомагнітофонів, переносних і автомобільних радіоприймачів.

Підвищення функціональної складності і щільності упаковки елементів і компонентів призвело до появи БІС, в яких замість окремих елементів (каскадів, тригерів, логічних осередків і т.д.) використовуються інтегральні вузли і цілі пристрої (регістри, лічильники, підсилювачі, аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі, що запам'ятовує пристрої і навіть процесори ЕОМ). Вважається, що за складністю БІС еквівалентна, як мінімум, 100 логічним схемам.

Показником ступеня складності мікросхеми є ступінь інтеграції К = \ gN (де N - Число елементів і компонентів, що входять в ІС):

в мікросхемі 1-го ступеня інтеграції N < 10 і 0 < До < 1;

в мікросхемі 2-го ступеня інтеграції 10 <, К <2;

в мікросхемі 3-го ступеня інтеграції 100 < N < 1000 і 2 < До < 3.

У надвеликих інтегральних схемах (НВІС) - ІС 5-го ступеня інтеграції міститься до 105 елементів на кристалі.

На одній кремнієвій пластині діаметром 150 мм створюються десятки НВІС, які можуть виконувати функції цілої ЕОМ.

Для реалізації БІС найбільш придатні структури метал-діелектрик-напівпровідник (МДП-структури). Схеми на МДП-структурах значно простіше у виготовленні, для них характерні малі значення керуючих напруг, мала споживана потужність і високу швидкодію.

Розвиток функціональної мікроелектроніки засноване на використанні оптичних і магнітооптичних явищ, надпровідності, електрохімічних явищ в рідких і твердих електролітах і т.д.

Все ширше починають використовуватися результати досліджень біологічних систем. Сутність цього напрямку мікроелектроніки полягає не в простому фізичному відтворенні класичних схем, а в безпосередньому виконанні електронною системою необхідних функцій подібно нейронних мереж живого організму. Використання функціональних приладів обіцяє значно скоротити число складових елементів систем, знизити їх вартість, габаритні розміри і, головне, різко підвищити надійність.

Розвиток мікроелектроніки відбувається в напрямку зменшення розмірів окремих елементів мікросхем і підвищення ступеня інтеграції. В даний час створені БІС оперативної пам'яті об'ємом 32 Мбайт з розмірами окремих елементів 0,5 мкм. Освоюється виробництво БІС оперативної пам'яті об'ємом 128 Мбайт з розмірами окремих елементів 0,3 мкм. Ведуться дослідження зі створення БІС з елементами, що мають розміри кілька нанометрів, що дозволить збільшити оперативну пам'ять в сотні разів при колишніх зовнішніх розмірах цих схем. Ведуться також роботи зі створення молекулярної електроніки з розмірами елементів на рівні окремих органічних молекул.

Класифікація мікросхем.Мікросхеми класифікуються як за методами їх виготовлення, так і по використовуваних в них фізичним перетворенням.

Умовне позначення мікросхеми включає в себе чотири елементи:

перший елемент - цифра, що характеризує конструктивно-технологічне виконання;

другий елемент - дві цифри, що вказують номер розробки даної серії (т. е. перші три цифри позначення відповідають номеру серії мікросхеми);

третій елемент - індекс, що складається з двох букв, що визначають функціональне призначення даної мікросхеми;

четвертий елемент (останні одна або дві цифри) - порядковий номер розробки мікросхеми за функціональною ознакою в даній серії.

Наприклад, запис 133ТМ2 означає, що це напівпровідникова мікросхема серії I33, що складається з двох тригерів О-типу з номером розробки 2.

За технологічного виконання мікросхеми поділяються на напівпровідникові (перша цифра в умовній позначці - 1,5, 7), гібридні (2, 4, 6, 8) і плівкові (3). Для мікросхем широкого застосування перед першим елементом умовного позначення ставлять букву К.

За характером виконуваної функції мікросхеми поділяються на класи (генератори, підсилювачі, перетворювачі, логічні елементи, елементи ЗУ і т.д.). Кожен клас, в свою чергу, підрозділяється на групи (наприклад, розрізняють підсилювачі синусоїдальні, постійного струму, імпульсні, високою, проміжної і низької частот, операційні та диференціальні відеоусілітелі, повторювачі).

Таблиця 1.1. Класи і групи мікросхем і їх позначення

Класи і групи мікросхем і їх позначення (в дужках) наведені в табл. 1.1.

Мікросхеми групуються також за серіями. Мікросхеми, що входять в одну серію, мають однакові технологію, напруга живлення, надійність і допустимі рівні зовнішніх впливів.

Функціональна мікроелектроніка.Сучасні інтегральні мікросхеми виконуються у вигляді закінчених пристроїв з певними функціями. Наприклад, це можуть бути інтегральні мікросхеми мініатюрних приймачів, калькуляторів, годинників, радіотелефонів і т.п. Номенклатура таких спеціалізованих пристроїв безперервно зростає і, отже, зростає їх складність. Широке застосування знаходять в даний час спеціалізовані цифрові функціональні пристрої для побутової техніки і техніки широкого застосування. Разом з тим на аналогових пристроях часто простіше досягти тото ж результату або отримати високу швидкість обробки інформації.

В останні роки найбільш хороші результати забезпечують функціональні мікроелектронні пристрої, що поєднують в собі різні фізичні процеси: електричні, оптичні і акустичні. В результаті з'явилися нові напрямки розвитку: оптоелектроніка та акустоелектроніка швидкість векторного множення і аналогово-цифрового перетворення забезпечує оптоелектронні пристрої, а найбільш швидке перетворення Фур'є і фільтрацію широкосмугових сигналів - акустоелектронні. Як правило, згадані пристрої виконуються по мікроелектронної технології в поєднанні з напівпровідниковими інтегральними схемами.

Технологічні процеси виготовлення ІС

Товстоплівкова технологія.Процес виготовлення гібридних ІС і використовувані при цьому матеріали близькі матеріалами і технології виготовлення друкованих плат. Тут в якості підкладки і використовуються фольгований текстоліт і гетинакс, а в якості провідників, пластин конденсаторів і елементів індуктивності - фольга або гальванічні і хімічно обложені метали (алюміній, мідь, срібло, золото). Для виготовлення резистивних елементів використовують емульсії і суспензії, що містять хромонікелеєві (NiCr) або хромо кремнієві (SiCr) складові. Як діелектриків використовують епоксидні смоли, силіконові гуми, лаки.

Процес виготовлення гібридних ІС по толстопленочной технології схожий з друкарським процесом друку книг. Всі необхідні матеріали готуються у вигляді суспензій, емульсій, лаків і фарб. За допомогою друку захисний шар кислотоустойчивость лаку наносять на фольгу гетинакса, і після сушки виробляють травлення металу в розчині кислоти. Потім за допомогою друку послідовно наносять резистори, ізолятори, обкладки конденсаторів, і після сушки впаивают нелінійні і активні елементи (діоди, транзистори). На останніх етапах виготовлення ІС наносять захисні діелектричні покриття і виробляють їх упаковку в пластмасовий або металевий корпус.

Гібридні ІС мають спеціальне функціональне призначення і виконуються невеликими партіями. При цьому кожен тип мікросхеми може мати свою унікальну технологію.

Більш широке поширення отримали тонко плівкові напівпровідникові ІС і БІС, технологію виготовлення яких розглянемо докладніше.

Тонкоплівкова технологія.Дана технологія виготовлення напівпровідникових ІС включає в себе наступні основні процеси: дифузію, оксидування, епітаксіальне вирощування, фотолитографию і селективне травлення, вакуумне напилення, хімічне осадження і анодування. Деякі з них повторюються по декілька разів.

В якості підкладок напівпровідникових тонкоплівкових ІС використовують пластини з кристалічного кремнію, арсеніду галію і фосфіду галію. Найбільшого поширення набула кремнієва технологія, в якій використовуються стандартні планшайби (пластини) з легованого кремнію товщиною 0,5 мм і діаметром 70, 100 і 150 мм. Планшайби постачають зі шліфованими і полірованими поверхнями. Безпосередньо перед процесом виготовлення ІС їх протруюють в розчині плавикової кислоти, промивають в деионизованной воді і сушать потоком фільтрованої повітря.

В основі виготовлення тонкоплівкових мікросхем лежать вакуумні процеси послідовного нанесення тонких плівок на планшайбу. Розглянемо коротко перераховані процеси тонкопленочной технології.

Дифузія.Більшість методів освіти р - п - Переходів в ІС засноване на використанні явища дифузії в твердому тілі. Дифузією атомів або молекул називається процес їх перенесення, що відбувається в результаті хаотичного теплового руху. При наявності градієнта концентрації речовини створюється спрямоване диффузионное рух, що прагне вирівняти концентрацію у всьому обсязі. У цьому випадку рух частинок хоча і носить хаотичний характер, але існує певна складова швидкості руху, спрямована в бік меншої концентрації речовини. Швидкість процесу характеризується коефіцієнтом дифузії D, який визначає масу речовини, що проникає через одиничне розтин за одиницю часу, при градієнті концентрації, що дорівнює одиниці. Коефіцієнт дифузії залежить від властивостей диффундирующего матеріалу і структури речовини (субстрату), в яке воно дифундує. При дифузії речовини з одного шару в інший через деякий час встановлюється експоненціальне розподіл його в другому шарі. Коефіцієнт дифузії збільшується при збільшенні температури по експонентному закону, тобто чим більше температура і час обробки, тим глибше проникає дифундують речовини.

Сучасна кремнієва технологія отримання мікросхем заснована на дифузії легуючих присадок в кремнієвій пластині при температурі 1000 ... 1300 ° С. Зазвичай кремнієву пластину (підкладку), легированную акцепторною домішкою - бором (р-область), поміщають в дифузний кварцовий реактор. При температурі 1200 ° С в реактор подають газ з донорной домішкою (наприклад, фосфором). Якщо нижня частина підкладки захищена, то після перебування її протягом 30 хв в реакторі на глибині 0,1 мм від верхньої поверхні, де концентрації донорної і акцепторної домішок рівні, утворюється р -п-перехід, який при подальшій обробці зміщується в глиб підкладки.

для формування р -п-р -переходу необхідно підповерхневому шарі відбувається розподіл диффундирующих речовин з р-, п- и р-область, характерними для біполярних транзисторів.

Оксидування.Тонка плівка діоксиду кремнію (SiO2, Кварцу) є хорошим ізолюючим матеріалом. Вона міцна, однорідна, не має пор, хімічно інертна, має хорошу адгезію з кремнієвої поверхнею, добре захищає поверхню мікросхем від впливу навколишнього середовища. плівка SiO3 широко використовується для захисту поверхні кремнію при проведенні дифузії, так як вона перешкоджає дифузії легуючих домішок в кремнієву підкладку. Рівномірну плівку діоксиду кремнію отримують на підкладці в дифузійному реакторі при температурі 1200 "С за допомогою подачі вологого (з водяною парою) або чистого (сухого) кисню. Для ефективного захисту поверхні потрібно плівка товщиною від 0,2 до 1 мкм. Для видалення плівки в необхідних місцях (під контакти або для проведення дифузії) методом фотолітографії наносять захисний малюнок з фоторезиста, а потім обробляють плівку методом іонно-плазмового травлення фторсодержащим газом (фреоном).

Плівки діоксиду кремнію можуть синтезуватися на поверхні напівпровідникової структури з тетрахлорида кремнію (SiCI4) в кисневому середовищі: SiCl4 + O2> SiO2+ 2С12^. При температурі вище 1200 ° С тетрахлорид кремнію розкладається на кремній і хлор. Хлор випаровується, а кремній з'єднується з киснем і осідає на поверхню напівпровідникової структури у вигляді плівки SiO2.

Епітаксиальні вирощування.В результаті цього процесу атоми нового речовини надбудовуються на монокристаллической підкладці, повторюючи її структуру. При рідинної і газової епітаксії атоми безладно рухаються уздовж кристалічної поверхні поки ні займуть стійке положення і ні утворюють жорстку структуру, що повторює структуру поверхні кристала. Цей процес схожий на зростання природних і синтетичних кристалів, тільки нарощувані шари в ньому мають інше атомну будову, і тому впорядкованість атомів після утворення кілька атомних шарів порушується.

Основною вимогою при епітаксиальні вирощуванні є близькість межатомного відстані наращиваемого речовини і речовини підкладки.

Останнім часом інтенсивно розвивається молекулярно-пучкова епітаксії. В цьому випадку епітаксіальне вирощування плівки з упорядкованою кристалічною структурою проводиться у вакуумній установці молекулярним (або атомним) пучком, який формується дуговим, плазмовим або магнетронним розпиленням речовини і падаючим на поверхню підкладки. Відмінною особливістю молекулярно-пучкової епітаксії в порівнянні з вакуумним напиленням є те, що підкладка в цьому випадку нагрівається до високої температури (в кремнієвої технології до 1000 ° С). При цьому молекули (атоми) не можуть відразу закріпитися на поверхні кристала і за рахунок температурних коливань переміщаються по ній до найближчого кордону зростання, де і займуть стійке положення з міцними молекулярними зв'язками в кристалічній решітці.

Фотолітографія і травлення.Для формування заданого мікроскопічного малюнка на поверхні кремнієвої підкладки, за яким необхідно проводити дифузію, наносять шар діоксиду кремнію і в ньому протруюють відповідні «вікна». Для цього на пластину кремнію із суцільним шаром діоксиду товщиною близько 1 мкм наносять шар світлочутливого речовини (фоторезиста). Потім пластину накривають скляною маскою з фотозображенням схеми (фотошаблоном) з прозорими і непрозорими ділянками і опромінюють ультрафіолетовим (УФ) світлом. Під прозорими ділянками УФ світло полимеризует фоторезист, і він стає нерозчинним в трихлоретиленом, в той час як неполімерізованние ділянки добре розчиняються в ньому. Після обробки в трихлоретиленом на поверхні підкладки фоторезист залишається тільки в місцях, схильних до опроміненню УФ світлом, тобто під прозорими ділянками маски. Потім пластину завадять в посудину з розведеною плавиковою кислотою, яка протягом кількох хвилин розчиняє діоксид кремнію в місцях, незахищених фоторезистом. Полімерізовапний фоторезист протруюють, т. Е. Видаляють гарячою сірчаною кислотою, після чого підкладка готова до процесу дифузії.

При виготовленні мікросхеми наноситься декілька шарів з різним типом легування в різних місцях підкладки, для чого виготовляються кілька фотошаблонів з різними малюнками і мітками суміщення. Після проведення кожної операції дифузії поверхню підкладки знову окислюють, наносять фоторезист, встановлюють фотошаблон, поєднуючи під мікроскопом відповідні мітки, і потім повторюють операції фотолітографії і дифузії. Таким чином, за допомогою процесу фотолітографії можна отримати на одній кремнієвій пластині до 100 мікросхем 4 або 5-го ступеня інтеграції.

Вакуумне напилення.Осадження тонких плівок металу в сполучних провідниках ІМС для формування резисторів, конденсаторів і індуктивностей виробляють методом вакуумного напилення. При термічному напиленні метал в «човнику» з тугоплавкого матеріалу нагрівається високочастотним індуктором до високої температури, плавиться і починає випаровуватися, осідаючи (конденсуючи) на сусідні більш холодні поверхні і покриваючи їх тонким шаром. Якщо кремнієву пластину накрити трафаретом або використовувати техніку фотолитографии, то на ній можна створити будь-які тонкоплівкові елементи. Вакуум забезпечує хорошу адгезію (прилипання) металу до кремнієвої підкладці і отримання однорідних щільних шарів металевих плівок товщиною від 0,5 до 1 мкм.

За методом випаровування металу розрізняють вакуумне, термічне (нагрів), дуговое (в дузі електричного струму) електронно-променеве напилення, катодного, магнетрон розпилення і лазерне випаровування. Розрізняють також звичайне (на холодну поверхню), епітаксіальне (на гарячу) і іонну осадження металу на поверхню. При останньому способі створюється різниця потенціалів між нагрівається металом і підкладкою. Іонну осадження впорядковує потік молекул металу і створює підвищену адгезію плівки до підкладки.

Хімічне осадження з газової фази. Цей метод полягає в тому, що в реактор подається газова або парогазова суміш і він нагрівається. Під дією високої температури відбувається розкладання надійшли хімічних речовин і утворення нових речовин, які осідають на поверхню знаходиться в реакторі підкладки. Хімічним осадженням з газової фази можна отримати всі необхідні в мікроелектроніці типи тонких плівок - ізолятор, провідник і напівпровідник.

Анодування.Найбільш поширений метод анодного окислення танталовой плівки в оксид танталу, службовець діелектриком в конденсаторах. Для цього до танталовой плівці, яка є анодом, прикладається напруга, а в якості електроліту використовується розчин оцтової кислоти. У цьому випадку на плівці утворюється рівномірний шар оксиду танталу, товщина якого залежить від прикладеної напруги. Потім знову осаджують метал. В результаті формуються конденсатори великої ємності зі стабільними характеристиками.

Процеси металізації, плазмохимического осадження і анодування проводять з використанням фотолітографії і травлення. Зазвичай поверхню кремнієвої підкладки окислюють, методом фотолітографії наносять захисний малюнок з фоторезиста, видаляють діоксид кремнію плазмохімічним або хімічним травленням і проводять дифузійні процеси. Там, де повинні бути контакти, напилюють тонкий (1 мкм) шар алюмінію. Далі знову проводять процеси фотолитографии, анодування і нанесення нових металевих плівок.

Послідовність виготовлення ІС. На рис. 61 показані напівпровідникова мікросхема підсилювального каскаду в інтегральному виконанні (елементи для наочності розташовані на одній лінії) і його електрична схема. Всі елементи такого каскаду розміщені в одній кремнієвій пластині р-типу. Для виключення взаємного впливу активні і пасивні елементи

Мал. 61. Структура (А) і схема (Б) підсилювального каскаду напівпровідникової мікросхеми

поміщені в острівцях, ізольованих від підкладки. Зверху підкладка захищена ізоляційним шаром, на який нанесені провідні доріжки, що з'єднують елементи між собою.

Активні елементи напівпровідникових мікросхем (транзистори, діоди, тиристори і оптоелектронні прилади) складаються з одного або більше р-п-переходів. Будь-який р-п-перехід має бар'єрної ємністю аналогічно плоскому конденсатору, а такі конденсатори найчастіше і застосовуються в мікросхемах. Як резисторів використовуються ділянки напівпровідника, звичайно обмежені р -п-переходить, тобто шар кремнію тут виконує функції резистора, а р -п-переходить є межами.

Таким чином, в напівпровідниковому кристалі з р -п -переходить можна створити набір елементів, достатній для більшості радіотехнічних схем. Найбільш важко створити в інтегральному виконанні індуктивність необхідних номіналу і добротності.

Для виробництва мікросхем застосовується планарная технологія, що дозволяє одночасно в єдиному технологічному процесі формувати велику кількість мікросхем. При цьому найбільш зручними виявилися плівки кремнію, виготовлені методом епітаксійного вирощування. Процес виробництва мікросхем в цьому випадку називається планарно-епітаксіальним.

Після оксидування на поверхні пластини необхідно виділити локальні області, в яких повинна проводитися дифузія, для чого застосовують метод фотолітографії з використанням декількох різних фотошаблонів. У вікна, що утворилися в діоксиді кремнію після травлення, проводять локальну дифузію домішок в кремній для створення діодних або транзисторних структур, резисторів, ізолюючих переходів і т. П. У той же час оксидна плівка оберігає кремній від небажаного впровадження домішки на окремих ділянках його

поверхні. Дифузія, як правило, проводиться з газової фази. Як диффундирующих домішок зазвичай використовуються бор, фосфор, сурма, миш'як.

Мал. 62. Різні схеми діодних з'єднань в транзисторних структурах мікросхем

Глибина дифузії і концентрація легуючих домішок визначаються часом і температурою процесу дифузії.

У напівпровідникових мікросхемах знаходять широке застосування діоди, транзистори, ключі, логічні елементи, важливими характеристиками яких є час включення і час відновлення, що визначають їх швидкодія.

Зазвичай діоди в мікросхемі формуються з єдиної транзисторної структури. Різні схеми діодних з'єднань наведені на рис. 62. Найменша час відновлення діода характерно для першої схеми з'єднання, показаної на малюнку, яка найчастіше і застосовується в логічних схемах.

У ключових транзисторних схемах для зменшення часу розсмоктування надлишкового заряду використовується метод шунтування переходу колектор-база діодом з р-п-переходить. В цьому випадку деякий надлишковий заряд накопичується в самому діоді. Дослідженнями встановлено, що для виготовлення колекторного діода, шунтирующего перехід колектор - база, найкраще підходять діоди з бар'єром Шотки, в яких відсутні інжекція та накопичення зарядів (рис. 63, а). Структура транзисторного каскаду, в якому діод з бар'єром Шотки шунтирует перехід колектор-база, і його УДО показані відповідно на рис, 63, б,


 Мал. 63. Схема ключового каскаду з діодом Шотки (А), його структура в мікросхемі (Б) і УДО (В)

 Елементи мікросхем на МДП-структурах

Структури метал -діелектрік -полупроводнік широко використовуються в мікросхемах (рис. 64). На їх основі виконують польові транзистори, змінні резистори і конденсатори, ключі, елементи пам'яті, а також мікросхеми різного функціонального призначення: генератори, формувачі імпульсів, перетворювачі сигналів, елементи пам'яті. Особлива цінність МДП-структур полягає в тому, що вони забезпечують створення різноманітних за функціональними можливостями ІМС на основі єдиної технології з однорідних елементів.

Випускаються в даний час ІМС на МДП-структурах перевершують ІМС на біполярних транзисторах за такими параметрами, як рівень інтеграції, споживана потужність, вхідний опір і ін.

Структура і принципи роботи МДП-транзисторів були розглянуті раніше. Принцип дії МДП-транзисторів з каналами п и р-типу однаковий.

Розглянемо МДП-транзистори з каналом п-типу, що застосовуються в технології виготовлення ІМС (див. рис. 64, а). У підкладці р-типу з питомим опором від I до 10 Ом * см створюють дві сильно леговані області п-типу з концентрацією домішок від 1OI8 до IО20 атомів * см3, Між якими формують слабо легований канал провідності п-типу. Над поверхнею каналу провідності вирощують тонкий шар ізолюючого оксиду (діелектрика). Потім напилюють три металеві електроди: витік, стік, затвор. Струм між витоком і стоком управляється напругою на затворі, що знаходиться над каналом провідності. Іноді канал провідності не вбудовується, а він активується при подачі на затвор позитивного напруги.


 Мал. 64. Структура польового МДП (МОП) -транзістора з вбудованим пканалом в ІМС (А) і схеми його включення в як активного резистора(Б, в) і ключового каскаду (Г)

Внаслідок наявності шару діелектрика під керуючим електродом (затвором) польовий МДП-транзистор управляється напругою, а не струмом (на відміну від біполярних транзисторів, і тому має високий вхідний опір. В даний час освоєно чотири типи МДП-транзисторів: з вбудованими та індукованими каналами на основі структур р- и п-провідність. Завдяки властивостям кремнію і поляризації оксиду кремнію перевага віддається МДП-транзисторів р-типу з вбудованим або індукованим каналом п-типу.

Набули поширення два різновиди МДП-транзисторів, що виготовляються за технологією мікроелектроніки: з р-Канальний провідністю і пороговим напругою 4В і з п-Канальний провідністю і пороговим напругою 2В. Малі порогові напруги дозволяють знизити керуючі напруги, напруга живлення і споживану потужність.

МДП-транзистори характеризуються високим вхідним опором (до 1МОм) і великою крутизною ВАХ (1000 ... 10 000 А / В). Оскільки струми в МДП-транзисторах переносяться тільки основними носіями, в них немає явища накопичення і розсмоктування неосновних носіїв, що збільшують час перемикання, т. Е. Вони володіють високою швидкодією. Цьому сприяють також малі розміри каналу провідності, мала ємність затвора (?0,04 пФ) і малі керуючі напруги.

У мікросхемах на підкладку з декількома МДП-транзисторами подається замикаюча напруга р -п-переходу, яке забезпечує самоізоляцію каналів окремих транзисторів. При цьому МДП-транзистор можна використовувати в якості змінного резистора, опір якого змінюється при зміні напруги на затворі (див. Рис. 64, б, в).

Для формування конденсаторів в мікросхемах на МДП-транзисторах використовують структуру, що складається з сильно легованого шару n-типу діелектрика SiO2 і металу. При товщині плівки SiO2 від 0,05 до 0,1 мкм Пробійна напруга становить від 20 до 40В, а питома ємність - близько 600 пФ / мм2. Ємність МДП-конденсатора залежить від площі і товщини оксидної плівки. У деяких випадках при формуванні конденсаторів і затворів використовують шари нітриду кремнію, що має більш високі діелектричну проникність і пробивну напругу, поліпшують контактні з'єднання. Завдяки цьому надійність приладів збільшується на 50%.

Слід зазначити, що технологія ІС МДП-типу (22 операції) простіше технології біполярних ІС (32 операції). Менші струми і напруги, характерні для ІС МДП-типу, забезпечують меншу їх енергоємність і зростання довговічності. Висока швидкодія МДП-транзисторів визначає широкополосность ІС підсилювачів МДП-типу. Технологія МДП-транзисторів не вимагає використання дорогих матеріалів при виготовленні ІС. Всі ці достоїнства ІС МДП-типу забезпечили їх широке поширення в сучасних електронних пристроях,

Мал. 65. Комплементарна МДП-структура (а), еквівалентна схема (Б) і режими роботи секцій (В):

1 - шар металізації; 2 - Затвор; 3 - товстий шар оксиду; 4 - пасивуючий шар оксиду; 5 - шар оксиду затвора; 6 - область п-типу

Підвищену швидкодію ІС МДП-типу досягається також шляхом використання структур з додатковою симетрією, що містять одночасно р- и п-канальні МДП-транзистори (рис. 65).Причому керуючий сигнал подається на затвори обох приладів одночасно. Такі прилади називають комплементарними, а мікросхеми на їх основі - ІС КМДП-типу (або ІС КМОП-типу). У статичних умовах вони практично не споживають енергії, а час їх перемикання менш 1нс. Логічний елемент на ІС КМДП-типу має два стани. Якщо на його вході нульове напруга, то р-канал відкритий, а п-канал закритий; при одиничному напрузі на вході, навпаки, п-канал відкритий, а р-канал закритий.

Технологія ІС КМДП-типу складніше, ніж технологія ІС МДП-типу, але завдяки швидкодії і малої споживаної потужності вони більш перспективні.



Попередня   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   Наступна

Основні визначення і класифікація | Режими роботи біполярних транзисторів | Схеми включення біполярних транзисторів | Статичні характеристики біполярних транзисторів | Параметри біполярних транзисторів | Польові транзистори з р-п-затвором | Статичні характеристики польових транзисторів з р-п-затвором | Польові транзистори з ізольованим затвором | Диференціальні параметри польових транзисторів | Імпульсний режим роботи транзистора |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати