Билеты экзамен

Фотолитография

Диффузия донорной примеси для создания островков n+- типа

Фотолитография

Диффузия акцепторной примеси для создания островков р+- типа

Фотолитография

Напыление сплошного металлического слоя. На него будет нанесён фоторезист для второй фотолитографии. Удаление незасвеченного фоторезиста обнажит «лишний» металл, где его можно будет удалить травлением кислотой

52.Дифференциальный усилительный каскад. Дифференциальная и синфазная составляющие входного сигнала.

Для усиления сигналов в АИС применяются дифференциальные усилительные каскады (ДУ). Схема простейшего ДУ на биполярных транзисторах

Блародаря интегральной технологии, параметры элементов ДУ практически одинаковы. При одинаковых входных напряжениях токи транзисторов равны, падения напряжения на резисторах также равны и поэтому Uвых = 0. Если Uвх1 ≠ Uвх2, токи плеч неодинаковы и появляется некоторое Uвых ≠ 0. В общем случае

Согласно (12) выходное напряжение ДУ пропорционально разности (дифференту) входных напряжений, с чем и связано происхождение названия такого усилителя.

При одинаковых (синфазных) Uвх1 и Uвх2 выходное напряжение остаётся равным нулю, т.е. ДУ нечувствителен к синфазным входным сигналам. Такими сигналами являются многие виды помех.

При подаче дифференциальных сигналов (напряжения равной величины, но противоположных знаков) их разность является входным сигналом ДУ

Uвх=ΔUб1Uб2

В силу симметрии сигнал Uвх поделится поровну между обоими эмиттерными переходами: на одном из них напряжение увеличится на ½ Uвх, а на другом уменьшится на ту же величину. Приращение токов и коллекторных потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по величине, но разного знака

Uвых=ΔUк1Uк2

Свойства ДУ.

1. В отсутствие Uвх электрический режим ДУ симметричен. Симметрию не нарушают изменение окружающей температуры и изменение питающего напряжения. В обоих случаях токи плеч изменяются. Но так как плечи одинаковые, изменения тоже одинаковы и симметрия сохраняется.

2. Возможны дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее включения ДУ. На рис а представлено дифференциальное включение, соответствующее (12). На рис. б – инвертирующее включение, при котором выходное напряжение противофазно входному. На рис. в – неинвертирующее включение, при котором фазы входного и выходного напряжений совпадают.

3. Хотя в инвертирующем и неинвертирующем включениях сигнал подаётся только на один из входов, при этом «работают» оба транзистора ДУ. суммарный ток Т1 и Т2 стабилизирован ГСТ и всегда равен I0.

Реальному ДУ свойственен ряд неидеальностей. Одной из самых существенных является невозможность обеспечения абсолютного равенства параметров элементов ДУ: сопротивлений R, параметров транзисторов. Поэтому у реального ДУ

где Uсм – напряжение смещения, обычно очень небольшое.

Аналогичными свойствами обладают ДУ на МДП транзисторах .

Восьмой билет

8.Барьерная и диффузионная ёмкость.

Электроёмкостью, или просто ёмкостью, называется способность различных объектов накапливать и сохранять электрические заряды.

Барьерной ёмкостью называют ёмкость таких объектов, в которых подвижные заряды сохраняются из-за отсутствия пути для их движения, т.е. для тока разряда, т.к. существует препятствие для этого тока (например, диэлектрический слой конденсатора или диэлектрический слой между металлом и полупроводником МДП-структуры; подобное препятствие образует также обеднённый слой полупроводника; концентрация подвижных носителей заряда в обеднённом полупроводнике может быть настолько малой, что он, как и диэлектрик, почти не проводит ток).

Диффузионной ёмкостью обладают объекты, в которых подвижные носители заряда диффундируют в некоторую полупроводниковую область и создают здесь диффузионный заряд.

где φт = kT/q - термический потенциал.

В среднем, спустя время 2…3τ* большая часть носителей заряда погибает в результате рекомбинации с зарядами области, в которую они проникли. Поэтому диффузионный заряд и диффузионная ёмкость существуют пока происходит приток новых носителей, т.е. при Iдф ≠ 0 или пока в областях есть диффузионный заряд.

23. Импульсные свойства МДП и биполярных транзисторов. Временные диаграммы.

Импульсные свойства характеризуют реакцию транзисторного ключа на подачу на вход управляющего напряжения в виде импульса, вызывающего отпирание или запирание транзистора.

схемы простейших ключей на МДП и биполярном транзисторах.

Временные диаграммы eвх изображены на рис. 44, а,б. Сток и коллектор транзисторов через сопротивление R подключены к источнику питания Eпит.

Хотя eвх изменяется скачкообразно, входное напряжение обоих ключей изменяется не мгновенно, так как требуется некоторое время на заряд входной ёмкости, рис. 44, в, г. Поэтому отпирание обоих транзисторов начинается с некоторой задержкой tз. В течение этого времени напряжения на затворе и базе достигают порогового напряжения U0 и примерного напряжения отпирания эмиттерного перехода U*. В течение времени нарастания tн завершается заряд Cвх, разряд Свых и другие переходные процессы.

Токи достигают предельных значений Iс.нас и Iк.нас, что характерно для режима насыщения, используемого в ключах, рис. 44 д,е.

Запирание транзисторов связано с разрядом Cвх и зарядом Свых. Кроме того, возвращение БТ в закрытое состояние сопровождается запаздыванием переходных процессов на время рассасывания tрасс. В течение этого времени БТ остаётся открытым из-за заряда неосновных носителей, накопившегося в базе в режиме насыщения. Этот заряд исчезает, «рассасывается» не мгновенно и в течение некоторого времени поддерживает ток экстракции.

Результатом переходных процессов является появление времён t10 и t01, которые требуются ключам на переход из состояния логической 1 в состояние логического 0 и наоборот, рис. 44 ж,з

38. Пассивные элементы интегральных схем.

Некоторые типы пассивных элементов могут быть изготовлены «заодно» с транзисторами, что не потребует усложнения технологии.

На этом рисунке изображен фрагмент ИС на МДП-транзисторах, где одновременно с МДП-транзистором (слева) можно изготовить МДПконденсатор (справа). Как и в обычном конденсаторе, верхней «обкладкой» является слой металла, изготавливаемый одновременно с металлическими контактами и затвором транзистора. Как и в обычном

конденсаторе, под верхней обкладкой расположен диэлектрический слой, в данном случае SiO2. Затем следует

нижняя «обкладка» в виде n+-слоя, изготавливаемого заодно с истоком и стоком транзистора.

Ёмкость такого конденсатора, как и у обычного конденсатора, это барьерная ёмкость С: C = εε0S / d

В ИС на биполярных транзисторах можно, не усложняя технологию, изготовить так называемый диффузионный резистор. Здесь слева БТ, справа – резистор. Его рабочей частью является р-слой, изготавливаемый одновременно с базами БТ. Базовый слой выбран, как наименее легированный и наиболее высокоомный слой БТ. Как и у обычного резистора, сопротивление определяется свойствами токопроводящей части и её размерами: R = ρL / S

Размеры такого элемента, как и всех других элементов ИС, очень ограничены. Поэтому сопротивление диффузионного резистора не превышает десятков килоом, что чаще всего недостаточно много.

Название такого резистора связано с изготовлением его рабочей части с помощью диффузии примеси.

53. Операционный усилитель. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление, частотные характеристики.

Операционными усилителями (ОУ) называется широкий класс усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенных для работы с глубокой обратной связью.

ОУ содержит 2 – 3, реже 4 дифференциальных усилительных каскада, включённых один за другим. Этим достигается практически неограниченная величина коэффициента усиления Ku, достигающая 106 раз. Наличие дифференциального входа позволяет применять дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее включения.

Схемы всех трех перечисленных вариантов включения.

Здесь используется одно из двух общепринятых условных обозначений ОУ. В них инвертирующий вход помечен знаком «-» или обозначен кружком

Идеальным ОУ называется усилитель, обладающий очень высокими или, как принято говорить, идеальными параметрами. Основные характеристики такого ОУ:

коэффициент усиления бесконечно велик (К → ∞); полоса пропускания бесконечно велика (∆ → ∞); входное сопротивление бесконечно велико (Rвх → ∞); выходное сопротивление бесконечно мало (Rвых → 0);

выходное напряжение равно нулю при нулевом напряжении на входе.

Коэффициент усиления ОУ определяется отношением изменения входного напряжения к вызвавшему его изменению напряжения между дифференциальными входами усилителя при разомкнутой цепи обратной связи. Коэффициент усиления ОУ без обратной связи зависит от сопротивления нагрузки, температуры окружающей среды, напряжения питания и др.

Входное сопротивление. В зависимости от способа подачи входного сигнала в ОУ с дифференциальными входами различают дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление для синфазных сигналов. Дифференциальное входное сопротивление, т. е. сопротивление ОУ для входного сигнала, разность потенциалов которого приложена между дифференциальными входами ОУ, определяется величиной сопротивления между этими входами. Входное сопротивление для синфазного сигнала, т. е. сопротивление ОУ для входного напряжения, приложенного одновременно к обоим дифференциальным входам ОУ относительно земли, определяется сопротивлением между замкнутыми накоротко входами ОУ и заземляющей шиной.

Выходное сопротивление – это сопротивление ОУ, измеренное со стороны подключения нагрузки. Величина выходного сопротивления определяет максимальную силу выходного тока независимо от вида нагрузки. Этот параметр особенно важен для ОУ с разомкнутым контуром обратной связи, например для компараторов.

Полоса пропускания определяется видом частотной характеристики ОУ, т. е. зависимостью его усиления от частоты входного сигнала. Полоса пропускания, ограниченная предельной частотой fпр, расширяется во столько же раз, во сколько уменьшается коэффициент усиления.

Девятый билет

9. Электрический и тепловой пробой в контактах и структурах.

Пробоем называется резкое возрастание тока в диэлектрике или обеднённом полупроводнике при достижении напряжения на таких слоях

значения напряжения пробоя Uпр [2, 3, 6]. В допробойном состоянии, при |U| < |Uпр|, ток ничтожен, так как создаётся движением ничтожного количества подвижных носителей.

Электрический пробой диэлектрического или обеднённого слоя возникает при превышении в нём напряжённости поля некоторой критической напряжённости Екр. При этом напряжение не обязательно большое, так как напряженность поля Е ≈ U/w будет большой и при малых напряжениях, если мала толщина слоя w.

Типичным электрическим пробоем является лавинный пробой. При таком пробое сильное электрическое поле разгоняет свободные электроны до столь значительной скорости, что их кинетической энергии при соударениях с атомами диэлектрика или обеднённого полупроводника хватает для превращения валентных электронов атомов в свободные. Появляются новые свободные электроны, которые также разгоняются электрическим полем и соударяются с атомами. Концентрация свободных электронов и ток резко возрастают.

Лавинный пробой считается обратимым, так как он исчезает при уменьшении напряжения на обеднённом слое.

Тепловой пробой возникает, как правило, вслед за лавинным. Возросший при лавинном пробое ток увеличивает количество выделяющегося тепла, температура материала возрастает. В результате (если отводимая от материала мощность меньше рассеиваемой) усиливается термогенерация подвижных носителей, растёт их концентрация, ток становится ещё больше, температура ещё выше и т.д. Перегрев слоя приводит к его разрушению, поэтому тепловой пробой считается необратимым.

При лавинном пробое исчезает главное полезное свойство диэлектрического или обеднённого слоёв – низкая электропроводность, при тепловом эти слои вообще разрушаются.

24. Частотные свойства МДП и биполярных транзисторов. Частотные характеристики.

Частотные свойства характеризуют способность транзисторов обеспечивать усиление аналоговых сигналов на различных частотах. Такие сигналы, в отличие от цифровых (дискретных) сигналов, чаще отображаются функциями частоты, а не функциями времени. Частотные свойства транзисторов обычно описываются их

амплитудно-частотными или фазо-частотными характеристиками (АЧХ или ФЧХ).

Вкачестве простейших усилителей на МДП и биполярных транзисторах можно рассматривать схемы на рис.

43.Принципиальным отличием аналоговых усилителей от ключей является использование активного (усилительного) режима, а не режимов отсечки и насыщения. Такой режим в рассматриваемых схемах способен обеспечивать входной источник. Создаваемое им входное напряжение должно содержать постоянную (режимную) составляющую напряжения на затворе или базе, необходимую для поддержания открытого состояния транзистора.

Частотные свойства МДП транзисторов принято описывать частотной характеристикой комплексной крутизны S:

где S0 – крутизна при ω = 0, ωs – предельная частота крутизны.

Из (47) можно получить выражения для модуля и фазы комплексной крутизны, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

рис. 46а.

Рис. 46

ωs даёт преувеличенное представление о частотных возможностях МДП транзистора. На самом деле его коэффициенты усиления по напряжению и по мощности начинают снижаться на намного более низких частотах. Главной причиной этого является наличие неустранимой ёмкости затвор-канал, что легко устанавливается методами компьютерного моделирования.

Частотные свойства БТ обычно описываются комплексным коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером β:

Из (50) можно получить выражения для модуля и фазы комплексного коэффициента β, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

АЧХ и ФЧХ БТ в схемах с ОЭ и ОБ изображены на рис. 46б.

Для схемы с ОЭ применяется также понятие граничная частота коэффициента передачи тока ωгр. На этой частоте |β| = 1, т.е. усилительные свойства по току полностью утрачиваются, хотя коэффициент передачи по мощности может быть больше 1 за счет усиления по напряжению.

Реже используется схема с общей базой, усиление которой значительно меньше. В то же время такое включение обеспечивает равномерное усиление и минимальный фазовый сдвиг в намного бóльшей полосе частот

39. Роль и методы изоляции элементов интегральных схем.

Роль:

Закрытый p-n переход идеальной изоляции не обеспечивает. В нём протекает небольшой обратный ток, у p-n перехода есть также некоторая барьерная ёмкость. То и другое должно учитываться при разработке ИС ,разработок топологии, способов изготовления фотошаблонов, совершенствования методов фотолитографии, способов и методов изоляции ИС.

Методы изоляции:

1.Изоляция обратно смещенным p–n-переходом.

2.Изоляция диэлектриком.

3.Комбинированные методы изоляции.

Основным методом изоляции элементов от подложки является изоляция закрытыми p-n переходами. Поскольку внешние, граничащие с подложкой слои всех элементов являются полупроводником n-типа, а подложка – полупроводник р-типа, между элементами и подложкой существуют p-n переходы (см. рис. 8 – 12). Достаточно закрыть эти переходы подачей обратного напряжения, чтобы перевести их в закрытое состояние, в котором тока в переходе почти нет.

На рис. 13 показано, как такая изоляция осуществляется в ИС с n-канальными МДП-транзисторами. Диоды здесь условно отображают существование p-n переходов между всеми частями транзистора и подложкой.

Рис. 13

Принципиально возможна и диэлектрическая изоляция элементов ИС. Примером такой изоляции являются ИС «кремний на сапфире», рис. 14.

Рис. 14

Синтетический сапфир, в отличие от драгоценного природного сапфира, относительно недорог и довольно часто применяется в различных технических устройствах. Он является отличным кристаллическим диэлектриком, очень прочен, прозрачен, устойчив к самым разным воздействиям. Его отличительной особенностью является также идеальное совпадение параметров кристаллической решётки с параметрами решётки кремния.

54.Операционный усилитель с обратной связью. Формула Блэка.

Обобщённая схема усилителя с обратной связью представлена на рис. 46.

Операционный усилитель (ОУ) – одна из наиболее распространённых АИС, которая примененяется как самостоятельная ИС так и в составе ИС с большой степенью интеграции. Широкое применение ОУ обусловлено их исключительной универсальностью. На ОУ могут быть построены разнообразные усилители, фильтры, корректоры АЧХ и ФЧХ, преобразователи сигналов, генераторы сигналов различной формы.

Она содержит усилитель с коэффициентом усиления по напряжению Ku, часть выходного сигнала которого возвращается на вход через цепь обратной связи с коэффициентом передачи β. Если обратная связь положительная (ПОС), напряжение обратной связи Uoc во входном сумматоре складывается с входным напряжением Uвх. Если обратная связь отрицательная (ООС), эти напряжения вычитаются. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью Kuoc определяется формулой Блэка:

Kuoc = Ku /(1 ± β Ku)

Здесь знак «+» соответствует ООС, знак «-» соответствует ПОС. На рис. 47 представлены инвертирующая (а) и неинвертирующая (б) схемы на ОУ с ООС. В обоих схемах R1 и R2 образуют делитель напряжения, через который сигнал с выхода передаётся на вход, т.е. осуществляется обратная связь. Очевидно, что в такой цепи β = R1/(R1 + R2).

Согласно (14), в неинвертирующем включении:

Kuoоc = Ku /(1 + β Ku)

Так как у ОУ Ku » 1 (до 106), легко выполняется условие β Ku » 1 и поэтому единицей в скобках можно пренебречь. Тогда

Kuoоc ≈ Ku /(β Ku) = 1 / β = 1 + R2/R1

Десятый билет

10. Контакт металл-полупроводник. Диоды Шотки

наиболее распространенным в электронике типам контактов. Чаще всего это обычный, омический контакт. Его сопротивление невелико, не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Ток в омическом контакте связан с напряжением законом Ома. Такие контакты совершенно необходимы для электрического соединения элементов или их частей друг с другом.

Некоторые металлы и полупроводники образуют так называемые контакты Шотки, обладающие односторонней проводимостью. При прямом напряжении Uпр они хорошо пропускают ток (открытое состояние), при обратном напряжении Uобр тока почти нет (закрытое состояние). Такие контакты используются в диодах Шотки и некоторых типах транзисторов.

Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода контактирующего металла q м и полупроводника q п. Если, например, q м q п, будет преобладать поток свободных электронов из металла в полупроводник. При этом в m-n переходе в приграничной области полупроводника образуется избыток свободных электронов, т.е. обогащенный слой, рис. 13,а. В таком виде в контакте свободные электроны имеются во всех его частях, и поэтому он обладает очень маленьким электрическим сопротивлением, т.е. является омическим контактом.

ВАХ омического контакта линейна. Его главным параметром является сопротивление R, которое должно быть минимальным. Оно определяется, главным образом, параметрами полупроводниковой области, сопротивление которой намного больше. Удельное сопротивление, зависит от концентрации носителей n и их подвижности µn: R =

рис. 13,б. В n-области образуется обеднённый слой.

Уменьшение концентрации свободных электронов в обеднённом слое приводит к появлению здесь положительного заряда нескомпенсированных ионов донорной примеси. Заряды в приграничных областях создают собственное электрическое поле с контактной разностью потенциалов

где к0 – контактная разность потенциалов в равновесном состоянии, т.е. в отсутствие внешнего напряжения.

Чтобы получить открытое состояние контакта, необходимо подать на него прямое напряжение, плюс (больший потенциал) к m – области, минус (меньший потенциал) к n – области. Свободные электроны n – области начнут заполнять обеднённый слой, контактная разность потенциалов уменьшится, потенциальный барьер понизится:

Распределение свободных электронов примет вид рис. 13,а. Высокая концентрация свободных электронов во всех частях контакта обусловит протекание большого дрейфового тока, прямого тока Iпр.

При обратном напряжении

т.е. контактная разность потенциалов и потенциальный барьер возрастут. В обеднённом слое концентрация свободных электронов станет ещё меньше, сам слой расширится. Обратный ток Iобр будет ничтожным.

Поэтому при q м q п m-n переход обладает односторонней проводимостью, т.е. является контактом Шотки.

Аналогичная картина наблюдается в менее распространённом m-p контакте. При q м q p это контакт Шотки, при q м q p – омический контакт.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) омического контакта и контакта Шотки изображены на рис. 14,а и рис.

14,б:

ВАХ контакта Шотки описывается формулой Шокли: