Учебное пособие 164

По виду обрабатываемых сигналов микросхемы делятся на аналоговые, цифровые и аналогово-цифровые.

Совершенствование технологий создания микросхем идет по пути увеличения числа активных элементов на кристалле, при этом одновременно уменьшаются и размеры самих элементов. Одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все параметры интегральной технологии, главные из которых — скорость, производительность и энергопотребление. Более подробно выше приведенные вопросы можно изучить, проработав [1-3].

Вопросы для самопроверки к теме 1

1.В чем состоит цель и задачи изучения курса?

2.Проведите классификацию ИС по степени интеграции, характеру обрабатываемых сигналов и технологии изготовления.

3.Каковы современные технологические возможности изготовления ИС?

4.Как называется эмпирический закон, определяющий темпы развития интегральных устройств?

Методические указания к теме 2

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Биполярный транзистор является активным прибором полупроводниковой электроники, так как он позволяет осуществлять усиление мощности.

Входной вольт-амперной характеристикой транзистора называют зависимость входного тока от входного напряжения.

9

И соответственно для выходной характеристики наоборот: зависимость выходного напряжения от выходного тока.

Биполярный транзистор имеет три схемы подключения, в зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей: схема с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Транзистор структуры IGBTбиполярный транзистор с изолированным затвором - гибрид двух технологий. Отличительной особенностью его является то, что он управляется напряжением (полем), а не током, как биполярный транзистор. У этого транзистора мощность управляющего сигнала минимальна. Транзистор IGBT изготовлен так, что может пропускать через свою структуру ток величиной в сотни ампер. И главное его отличие от тиристора - он "закрывается", то есть перестает проводить электрический ток, когда исчезает управляющий сигнал. В открытом состоянии он обладает сравнительно небольшим сопротивлением, поэтому может управлять мощностью в сотни киловатт.

Основное применение IGBT — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Математической моделью полупроводникового прибора называют совокупность уравнений, описывающие физические процессы в этом приборе.

Для анализа работы транзистора в схемах в 1954 г учеными Дж.Д.Эберсом и Дж.Л.Моллом предложены простые и удобные модели транзистора, различные варианты которой широко используются на практике. В эти модели входят управляемые источники тока, управляемые токами, учитывающие связь между взаимодействующими p - n -переходами в биполярном транзисторе. Эти модели справедливы для всех режимов работы транзистора.

Модель основывается на известных уравнениях для токов через переходы в нормальном активном и инверсном активном режимах работы биполярного транзистора:

10

где - токи коллектора и эмиттера при нормальном включении БТ (прямое включение эмиттерного перехода,

обратное - коллекторного); - токи эмиттера и коллектора в инверсном включении БПТ (прямое включение коллек-

торного перехода, обратное – эмиттерного); - коэффициенты передачи тока эмиттера и коллектора при нормальном и инверсных включениях; - начальные токи коллекто-

ра (при = 0) и эмиттера (при = 0).

Для определения параметров модели используют графоаналитический метод или вычислительный метод на ЭВМ.

При графоаналитическом методе соединяют базу транзистора с коллектором и подают прямое напряжение между базой и эмиттером. В результате получают ВАХ диодного включения транзистора. По этой характеристике получают часть параметров, в частности: IЭ0. Аналогичным образом определяют остальные параметры.

При определении параметров с помощью ЭВМ составляется целевая функция, например в виде среднеквадратической погрешности вычисленного и измеренного значений. Далее находят минимум целевой функции при значении аргументов, которыми являются параметры модели. Более подробно выше приведенные вопросы можно изучить, проработав

[1,2,5].

Вопросы для самопроверки к теме 2

1.Как называются носители заряда, обусловливающие главный вклад в перенос заряда?

2.Как называется режим работы транзистора, при котором происходит усиление мощности?

11

3.При какой схеме включения биполярного транзистора не происходит усиления по току?

4.Какая схема включения биполярного транзистора дает максимальное усиление по мощности?

5.Каким коэффициентом характеризуется эффективность эмиттера?

6.Какая характерная особенность составного биполярного транзистора?

7.Как называется режим работы транзистора, когда коллектор осуществляет инжекцию, а эмиттер сбор носителей?

8.Каков уровень легирования примеси в базе биполярного транзистора по отношению к эмиттеру?

9.Почему биполярные транзисторы n-p-n типа имеют более высокие коэффициенты усиления, чем р-n-p ?

10.В чем заключается эффект Эрли?

11.Что называют математической моделью полупроводникового прибора?

12.Что замещают элементы в схеме замещения?.

13.Как называется параметр модели, характеризующий степень соответствия смоделированных характеристик реальным?

14.Как называется параметр модели, характеризующий затраты машинного времени на моделирование и времени на подготовку к моделированию?

15.Какие физические процессы не учитываются в модели Эберса-Молла?

16.Назовите программные продукты машинного анализа схем радиоэлектронных устройств.

Методические указания к теме 3

Различают следующие виды полевых транзисторов: транзисторы со структурой металлдиэлектрикполупроводник (МДП-транзисторы) и транзисторы с управляющим p-n переходом (ПТУП). Эти транзисторы имеют 3 основных элек-

12

трода: управляющий электрод – затвор З и выходные электроды - сток С и исток И.

МДП-транзисторы относятся к числу униполярных полупроводниковых приборов, работающих на основе эффекта поля. Они имеют две конструктивные разновидности: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

Различают семейство стоковых (зависимость тока стока от напряжения на стоке) и семейство стоко-затворных вольтамперных характеристик. Входная характеристика у полевых транзисторов не применяется.

Для МДП-транзистора используются следующие малосигнальные параметры:

крутизна S= dIC/dU3И |UCИ=const,

характеризует крутизну проходной ВАХ транзистора в точке покоя;

внутреннее (выходное) сопротивление

rC= dUCИ/dIC|IC=const,

характеризует наклон выходной ВАХ на пологом участ-

ке;

коэффициент усиления по напряжению

ku= dUCИ /dUЗИ |IC=const.

Инерционность МДП-транзистора по отношению к быстрым изменениям напряжения на затворе, приводящая к снижению его усилительных свойств, определяется двумя факторами: перезарядом емкости затвора Сз и перезарядом межэлектродных емкостей.

Переходная характеристика крутизны S(t) описывается экспоненциальной функцией, поскольку по определению крутизна есть изменение выходного тока Iс при заданном изменении входного напряжения Uзи

S(t) = S(l- e-t/ s),

где s= C3 rкан - постоянная времени крутизны.

13

Частотную характеристику крутизны — зависимость крутизны от частоты — можно представить в следующей форме:

S = S/[1 +j( / s)],

где s=1/ s - угловая граничная частота, откуда амплитудночастотная и фазо-частотная характеристики крутизны равны:

Разработанные в последнее время многоканальные транзисторы (Multigate Transistors) - это транзисторы с принципиально новой геометрией, которая призвана улучшить их эффективность. В плане геометрии идеальной является цилиндрическая форма транзистора. Один цилиндр, включающий в свой состав канал проводимости и области стока и истока, окружен соосным полым цилиндром из диэлектрического материала, а сверху расположен еще один соосный металлический цилиндр, выполняющий функции затвора. Данная геометрия позволяет минимизировать токи утечки и улучшить все характеристики транзистора. Более подробно выше приведенные вопросы можно изучить, проработав [1-4, 6].

Вопросы для самопроверки к теме 3

1.Что такое пороговое напряжение?

2.Как называется режим работы полевого транзистора приводящий к увеличению выходных токов в зависимости от увеличения входного напряжения (по модулю)?

3.Как называется режим работы полевого транзистора приводящий к уменьшению выходных токов в зависимости от увеличения входного напряжения (по модулю)?

14

4.Как называется минимальное напряжение, которое надо подать на затвор МДП транзистора с индуцированным каналом для того, чтобы образовался канал?

5.Как называется область, соединяющая исток и сток, по которой протекает ток в полевом транзисторе?

6.В каком режиме работает МДП транзистор со встроенным каналом?

7.К чему приводит эффект модуляции длины канала?

8.Как называется пологая область на выходной ВАХ полевого транзистора?

Методические указания к теме 4

На основе МДП-транзистора создана так называемая ячейка флэш-памяти. Использование микросхем флэшпамяти позволяет создавать миниатюрные и очень легкие энергонезависимые сменные карты памяти, обладающие к тому же низким энергопотреблением. Важным достоинством карт на основе флэш-памяти является также их высочайшая надежность, обусловленная отсутствием движущихся частей, что особенно критично в случае внешних механических воздействий: ударов, вибраций и т.п.

Основные недостатки таких носителей — довольно большая цена самих карт флэш-памяти и высокая удельная стоимость хранимых на них данных, хотя в настоящее время наблюдается тенденция к значительному снижению цен на карты флэш-памяти, что приводит к их применению вместо жестких дисков в составе карманных компьютеров.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой МДП-структуру с большим количеством управляющих элек- тродов—затворов. Главная особенность ПЗС состоит в том, что он хранит и передает информацию в виде количества заряда — «зарядовых пакетов», которые состоят из подвижных носителей заряда (дырок или электронов).

В зависимости от значения модуля поданного напряжения на соседние электроды в ПЗС различают режим покоя, ре-

15

жим хранения информации, режим считывания информации. Для продвижения зарядовых пакетов от одного затвора к другому необходимы три фазы электродов (передающей, принимающей и изолирующей) и трехфазное напряжение специальной формы.

В фото - ПЗС зарядовые пакеты формируются под действием фотонов. Чем больше световой поток, тем больше величина зарядового пакета. Далее необходимо передать эти пакеты в соответствующие блоки преобразования, то есть снять информацию.

Конструктивно можно выделить две основные схемы ПЗС матриц: с кадровым переносом и с межстрочным переносом.

В фотокамере сигнал после матрицы поступает на обработку, где происходит усиление в зависимости от чувствительности, выбранной пользователем (100, 200, 400 ISO или больше), а затем оцифровку и коррекцию в соответствии с индивидуальными настройками матрицы.

Далее происходит программная интерполяция цветного изображения из трех массивов основных цветов и коррекция яркости, насыщенности, резкости. В большинстве камер происходит сжатие информации.

И наконец, полученная с матрицы цифровая информация запоминается в виде изображения и записывается на карту памя-

ти (CompactFlash, Secure Digital, Memory Stick, xD-Picture и др.).

К перспективным устройствам памяти можно отнести полимерную память (PFRAM), магнитную память(MRAM), сегнетоэлектрическую энергонезависимую памяти Ferroelectric RAM (FeRAM). Более подробно выше приведенные вопросы можно изучить, проработав [2,4].

Вопросы для самопроверки к теме 4

1.Что собой представляет ПЗС?

2.В виде чего ПЗС хранит и передает информацию?

16

3.Каков в ПЗС основной рабочий режим МДПструктуры?

4.Как называется время, необходимое МДП-структуре

вПЗС для перехода из режима обеднения в режим инверсии?

5.Каково назначение стоп-каналов в фото-ПЗС?

6.Каковы причины возникновения на поверхности полупроводника энергетических ловушек?

7.Как называется канал переноса, исключающий в ПЗС действие энергетических ловушек?

8.Какова структура ПЗС матрица с кадровым перено-

сом?

9.Каковы недостатки ПЗС матрицы с межстрочным переносом?

10.Какое основное преимущество ПЗС матриц с кадровым переносом?

11.Каким образом можно повысить чувствительность

вПЗС матрице с межстрочным переносом?

12.Какой основной способ устранения влияния неоднородности чувствительности у ПЗС матриц?

13.Каково назначение плавающего затвора в ячейке флэш-памяти?

14.К чему приводит наличие потенциала, находящегося на плавающем затворе в ячейке флэш-памяти?

Методические указания к теме 5

Наиболее распространенные элементы группы AIIIBV арсенид галлия и GaAs и нитрид галлия GaN.

(GaAs) — химическое соединение галлия и мышьяка. Этот материал в основном используется для создания сверхвысокочастотных интегральных схем, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов, фотоприѐмников и детекторов ядерных излучений.

Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладает более высокой

17

подвижностью электронов, которая позволяет приборам работать на частотах до 250 ГГц.

Соединения GaAs и GaN активно применяются в СВЧ микросхемах и транзисторах, используемых в современных устройствах связи.

Методические указания к теме 6

При понижении температуры многие металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость характеризуется идеальной электропроводностью и идеальным диамагнетизмом.

Английский ученый-физик Брайан Дэвид Джозефсон рассматривал частный случай туннельного эффекта - туннелирование куперовских пар - и предсказал существование двух эффектов. Первый из них состоит в том, что через туннельный переход с тонким слоем диэлектрика, когда его толщина меньше или порядка длины когерентности (d ), возможно протекание сверхпроводящего тока, то есть тока без сопротивления. Предсказывалось, что критическое значение этого тока будет своеобразно зависеть от внешнего магнитного поля. Если ток через такой переход станет больше критического, то переход будет источником высокочастотного электромагнитного излучения. Это нестационарный эффект Джозефсона.

На основе эффектов Джозефсона созданы сверхпроводящие квантовые интерферометры, позволяющие регистрировать магнитные поля. Их преимущества перед другими приборами для измерения магнитных полей - сверхвысокая чувствительность и возможность бесконтактных измерений. Это позволяет регистрировать очень слабые магнитные поля, связанные со слабыми электрическими токами, возникающими в живых организмах. Удается регистрировать магнитокардиограммы, магнитоэнцефалограммы, магнитограммы работы мышц, желудка, глаза. В геофизике с помощью сквид-магнитометров можно вести геологическую разведку с самолета или спутника,

18