- •Оглавление
- •Предисловие
- •1. Лабораторные работы Лабораторная работа № 1 Изучение полупроводниковых приборов с одним р-n переходом (диодов)
- •1. Электронно-дырочный переход (p-n переход)
- •2. Элементы зонной теории
- •3. Вольт-амперная характеристика р-n перехода
- •4. Пробой р-n перехода
- •5. Стабилитроны
- •6. Туннельные диоды
- •Лабораторная работа № 2 Транзистор
- •2. Схема с общим эмиттером (оэ)
- •3. Схема с общим коллектором (ок)
- •Лабораторная работа № 3 Изучение вынужденных колебаний и явления резонанса в последовательном и параллельном колебательных контурах
- •1. Последовательный колебательный контур
- •2. Параллельный колебательный контур
- •Лабораторная работа № 4 Параметры приемника супергетеродинного типа
- •1. Основные понятия
- •2. Основные функции радиоприемников
- •3.Приемник прямого усиления
- •4.Приемник супергетеродинного типа
- •Лабораторная работа № 5 Изучение характеристик усилителя низкой частоты на сопротивлениях
- •1. Основные понятия
- •2. Усилительный каскад на сопротивлениях
- •3. Типы коррекции частотной характеристики
- •Лабораторная работа № 6 Тиратронный генератор релаксационных колебаний
- •1.Основные понятия
- •2.Тиратроны с холодным катодом
- •3.Тиратроны с накаленным катодом
- •Лабораторная работа № 7 Мультивибратор
- •1. Основные понятия
- •2. Транзисторный симметричный мультивибратор
- •Лабораторная работа № 8 Детектирование
- •1. Основные понятия
- •2. Амплитудная модуляция
- •3.Детектирование ам колебаний
- •Лабораторная работа № 9 Изучение электронных стабилизаторов напряжения
- •2. Параметрические методы стабилизации
- •2. Смешанные стабилизаторы напряжения.
- •Лабораторная работа № 10 Генераторы гармонических колебаний
- •1. Незатухающие колебания в транзисторном генераторе
- •2. Линейная теория самовозбуждения
- •3. Генераторы гармонических колебаний типа rc
- •4. Определение частоты колебаний с помощью фигур Лиссажу
- •Лабораторная работа № 11 Электронные лампы
- •Лабораторная работа № 12 Полевые транзисторы
- •1. Транзисторы с управляющим р-n переходом
- •2. Транзисторы с изолированным затвором
- •3. Применение полевых транзисторов.
- •Лабораторная работа № 13 Изучение элементной базы, топологии и конструкции полупроводниковых интегральных микросхем
- •1. Основные понятия
- •2. Конструкция и топология элементной базы полупроводниковых имс
- •3. Фигуры совмещения
- •Лабораторная работа № 14 Гибридные интегральные микросхемы
- •1. Подложки гис
- •2. Элементы гис
- •3. Компоненты гис
- •Лабораторная работа № 15 Цифровые микросхемы
- •1. Элементарные логические операции и типы логических элементов
- •2. Методы реализации логических элементов
- •3. Интегральные логические элементы
- •4. Параметры логических микросхем
- •Лабораторная работа № 16 Изучение дифференцирующих и интегрирующих цепей
- •1. Дифференцирующие цепи
- •2. Интегрирующие цепи
- •3. Описание экспериментальной установки
- •Лабораторная работа № 17 Гармонический анализ
- •1. Спектр периодических эдс. Ряд Фурье
- •2. Спектр непериодической эдс. Интеграл Фурье.
- •2. Анализ вычисления погрешностей и обработка результатов
- •2.1 Погрешность однократного измерения
- •2.2 Обработка результатов многократных измерений одной и той же величины
- •2.3 Погрешности косвенных измерений
- •Литература
3. Применение полевых транзисторов.
Полевые транзисторы нашли широкое применение в радиоэлектронике. МДП–транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (, иногда до). Транзисторы с управляющим р-n переходом имеют более низкое входное сопротивление (до при комнатной температуре). Кроме того, параметры МДП-транзисторов меньше зависят от температуры, чем биполярные (так как принцип их работы основан на использовании только основных носителей). Полевые транзисторы могут работать при низких температурах (вплоть до близких к абсолютному нулю), имеют высокую стабильность параметров во времени при воздействии различных внешних факторов, обладают высокой радиационной устойчивостью (она на порядок больше, чем кремниевых биполярных, но ниже, чем у радиоламп), что важно при использовании транзисторов в космической технике.
Полевые транзисторы просты в изготовлении, поэтому выход годных приборов выше, чем биполярных. При использовании их в интегральных микросхемах удается получать высокую плотность расположения элементов (на порядок выше, чем в схемах на биполярных транзисторах). В монолитных интегральных схемах на МДП-транзисторах их можно использовать в качестве резисторов (МДП-транзисторы, работающие на ненасыщенных участках статических характеристик). Полевые транзисторы применяют в логических схемах, так как большие матрицы из этих элементов располагаются очень компактно. Их широко используют в цифровых вычислительных машинах.
Однако, несмотря на целый ряд преимуществ полевых транзисторов перед биполярными, они не могут заменить их полностью. Это, в частности, связано с малым коэффициентом усиления полевых транзисторов. Рабочий диапазон частот полевых транзисторов значительно меньше, чем биполярных: их чаще всего используют до частот в несколько мегагерц.
Выполнение работы
Определение параметров полевых транзисторов производится на компьютеризированной лабораторной установке, согласно соответствующей инструкции.
Лабораторная работа № 13 Изучение элементной базы, топологии и конструкции полупроводниковых интегральных микросхем
1. Основные понятия
Полупроводниковая интегральная микросхема – микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.
– малые интегральные схемы (МИС) – схемы со значением от до;
– большие интегральные схемы (БИС) – схемы со значением от доК;
– сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) – схемы со значением. оти выше, где–степень интеграции (см. работу №13).
Плотность упаковки определяют по формуле:
, (1)
где – объем микросхемы без учета выводов.
По выражению (1) видно, что плотность упаковки бескорпусных микросхем будет значительно выше.
2. Конструкция и топология элементной базы полупроводниковых имс
Элементы полупроводниковых ИМС выполняют функцию электрорадиоэлемента. К ним относят: резистор, конденсатор, диод, транзистор, полевой транзистор, МДП-транзистор. Кроме этого, при проектировании полупроводниковых ИМС применяют вспомогательные элементы: диффузионные перемычки, контактные площадки и фигуры совмещения. Ниже будут рассмотрены конструкция и топология всех этих основных и вспомогательных элементов.
Резисторы полупроводниковых ИМС формируются на основе слоев: эмиттерного, базового, и базового под эмиттерным (пинч–резисторы). Так как базовый и эмиттерный слои получают диффузией, то и резисторы называют диффузионными.
Рис. 1.
На рис. 1, а приведена конструкция диффузионного резистора на основе базового р–слоя. Как видно из рисунка, тело резистора размещается в кармане n–типа проводимости, который размещается в пластине p–типа. Величину сопротивления резистора R определяют по формуле:
, (3)
где – удельное поверхностное сопротивление базового слоя,l – длина резистора, b – ширина резистора, – коэффициент формы резистора.
На рис. 1, б приведена конструкция диффузионного резистора на эмиттерном n+-слое. Такие резисторы из–за сильного легирования получают низкоомными, их применение ограничивается низким пробивным напряжением ()p-n перехода эмиттер-база.
На рис. 1, в показана конструкция пинч–резистора в базовом слое, толщина которого уменьшена за счет эмиттерного слоя до величины . Третье контактное окно на пинч–резисторе необходимо для подключения эмиттерного слоя к высокопотенциальной части резистора для запирания р–n+ перехода на резисторе.
В полупроводниковых ИМС две разновидности конденсаторов: МДП-конденсатор и диффузионный конденсатор. Конструкция первого приведена на рис. 2. Нижняя обкладка такого конденсатора образована n+-эмиттерным слоем, диэлектриком является окись кремния, а верхняя обкладка алюминиевая. Для получения больших удельных емкостей необходимо применять тонкий диэлектрик, однако это приводит к уменьшению пробивного напряжения конденсатора. Величина емкости определяется по формуле:
, (3)
где — удельная емкость проводящего слоя на пластину,,– площадь перекрытия обкладок,– диэлектрическая проницаемость окиси кремния,– толщина диэлектрика.
|
|
Рис. 2. |
Рис. 3. |
Для формирования диффузионных конденсаторов используются барьерные емкости обратно смещенных p-n переходов: эмиттер-база, база-коллектор и коллектор-пластина. Конструкция диффузионного конденсатора совпадает с конструкцией транзистора (рис. 4) и отличается числом выводов, которых по числу обкладок будет два. Использование данных конденсаторов имеет особенность: р-n переход, используемый в качестве конденсатора, должен быть во всех режимах работы смещен в обратном направлении.
Диоды полупроводниковых ИМС можно сформировать на любом из p-n переходов планарно-эпитаксиального транзистора. Наиболее удобны для этих целей переходы эмиттер-база и база-коллектор. Пять возможных вариантов диодного включения транзисторов приведены на рис. 3, где в качестве диода используются: переход база-эмиттер с коллектором, закороченным на базу (а); переход коллектор-база с эмиттером, закороченным на базу (б); параллельное включение обоих переходов (в); переход эмиттер-база с разомкнутой цепью коллектора (г); переход база-коллектор с разомкнутой цепью эмиттера (д).
В полупроводниковых ИМС биполярный n-p-n транзистор является основным схемным элементом (рис. 5). У n-p-n транзисторов быстродействие при прочих равных условиях лучше, чем у p-n-р транзисторов. Это объясняется тем, что подвижность электронов выше, чем дырок.
|
|
Рис. 4. |
Рис. 5. |
Начнем анализ с простейшей конструкции биполярного транзистора n+-р-n (рис. 4). Эмиттер транзистора сильно легируют до получения максимального коэффициента инжекции. Базу транзистора для повышения коэффициента переноса делают тонкой и низколегированной, так, чтобы толщина базы () была намного меньше диффузионной длины инжектированных в базу электронов.
Рис. 6.
Под коллектором располагают низкоомный слой n+ (скрытый слой) для уменьшения сопротивления коллектора при работе последнего в режиме насыщения. В тех случаях, когда транзистор не переходит в режим насыщения, скрытый слой не делают. При контакте полупроводника n-типа с трехвалентным алюминием, который является акцептором, последний может диффундировать в коллектор с образованием области р-типа и паразитного р-n перехода. Для предотвращения образования паразитного перехода область коллекторного контакта легируют до n+.
Принцип работы МДП-транзистора основан на модуляции сопротивления проводящего канала между истоком и стоком под действием потенциала затвора. Для упрощения изложения материала далее будут рассматриваться МДП-транзисторы с индуцированным каналом, т. е. с каналом, который наводится в области между истоком и стоком только при наличии потенциала на затворе.
Различают по типу проводимости канала n-канальные (рис. 6,а) и р-канальные (рис. 6, б) МДП – транзисторы. Отметим, что у n-МДП-транзисторов быстродействие больше, так как подвижность основных носителей – электронов больше, чем дырок.
Как видно из рисунков, МДП-транзистор имеет 4 вывода: исток, сток, затвор и подложка. При симметричной конструкции исток и сток в МДП-транзисторах обратимы и их можно поменять местами при включении транзисторов в схему.
Особенностью МДП ИМС является то, что в качестве пассивных элементов используют МДП-транзисторы. При использовании МДП-транзистора в качестве резистора необходимо на его затвор подавать постоянное напряжение, величина которого будет определять номинал сопротивления. В качестве конденсаторов в МДП ИМС используют емкость затвор-подложка или барьерную емкость p-n перехода сток(исток)-подложка. МДП ИМС, у которых в объеме кристалла сформированы одновременно n- и р-канальные МДП-транзисторы, называются комплементарными (рис. 6, в).
Как видно из рисунка, для формирования комплементарной структуры необходимо формировать р-карман для размещения n-МДП-транзисторов. Кроме того, для устранения влияния паразитных МДП-транзисторов применяют охранные кольца р+- и n+-типа, которые могут опоясывать один или несколько транзисторов с каналом одного типа проводимости.
Принцип работы полевого транзистора также, как и МДП-транзистора, основан на модуляции толщины проводящего канала и его сопротивления под действием потенциала затвора. Канал образуется между стоком и истоком. Толщина канала регулируется двумя обратно смещенными p-n-переходами: затвор-эпитаксиальный слой и эпитаксиальный слой-подложка. В указанной конструкции на затвор подается отрицательный потенциал относительно истока.