Prezentatsia_po_kursu_FMME_1 (1)

1.

2.

Место дисциплины «Функциональные материалы
для микроэлектроники в учебном плане
Физика
Физические основы
электроники
Электроника
Схемотехника
Основы теории цепей
Электропитание
устройств и систем
Курсы специальности

3. Определения

• Новые материалы – это, как правило, материалы, которые
освоены недавно(не более 10-20 лет назад) или осваиваются
промышленностью в настоящее время, также находящиеся на
стадии разработки или исследования. Таким образом, к новым
материалам относится большое количество разнообразных
материалов.
Функциональные материалы – это материалы, обладающие
определенным уровнем физико-химических и механических свойств,
которые в совокупности обеспечивают использование этих материалов
в качестве рабочего элемента или детали в определенном устройстве,
приборе или конструкции.
Создание оптимального материала требует усиления или подавления
каких-либо свойств в уже имеющемся материале и невозможно без
привлечения современных экспериментальных и теоретических
подходов

4. Специальные диоды

Стабилитроны (опорные диоды)
Стабилитрон предназначен для уменьшения
изменения напряжения на нагрузке, вызванное
изменениями входного напряжения и
изменениями тока, потребляемого нагрузкой.
Ro
Uвх
+
VD
Iн
Rн Uн

5. Специальные диоды

В стабилитроне используются свойства
электрического пробоя p-n-перехода.
В режиме электрического пробоя обратная
ветвь ВАХ практически параллельна оси тока.
Стабилитроны используются также в качестве
фиксаторов и ограничителей напряжения.

6.

Специальные диоды
Основные параметры стабилитронов:
- UСТ - напряжение стабилизации,
- IСТ - средний ток стабилизации,
- Icт.max – максимальный ток стабилизации,
- Рдоп – допустимая мощность рассеяния анода,
∆Uст -дифференциальное сопротивление
rд =
стабилитрона
в
режиме
∆Iст
стабилизации,
- ТКН (температурный коэфф-т напряжения
стабилитрона в режиме стабилизации
ТКН =
t
∆Uст
1
100% [%/Град]
·
Uст
∆t

7.

Специальные диоды
Обозначение стабилитронов
А
К
Односторонний
КС168А
Двусторонний
КС210Б
Кремниевый стабилитрон, серии 100,
напряжение стабилизации равно 6,8 В.
Диод, включенный в прямом направлении и
используемый в качестве стабилизатора напряжения,
называют стабистор.

8.

Специальные диоды
Применение стабилитронов
Стабилитроны применяются в схемах
стабилизаторов напряжения.
Rо
U+
VD1
Rн
Uн = Uст
VD2
U-
VD1- стабилитрон с положительным ТКН,
VD2 – термокомпенсирующий диод с отрицательным
ТКН.
Rо - сопротивление, ограничивающее ток стабилитрона.

9. Стабилитроны

10. Классификация и система обозначений диодов

Диоды классифицируются по их:
- исходному полупроводниковому материалу.
- назначению.
- физическим свойствам.
- электрическим параметрам.
- конструктивно-технологическим признакам.
В основу положен буквенно-цифровой код.
1-й элемент – исходный материал:
- Г или 1 – германий Ge,
- К или 2 – кремний Si,
- А или 3 – арсенид галлия GaAs,
- И или 4 – соединения индия.

11.

2-й элемент – буква – подкласс прибора:
- Д - диоды выпрямительные универсальные приборы,
- Ц – выпрямительные столбы и блоки,
- С – стабилитроны,
- А – СВЧ диоды,
- В – варикапы,
- И – туннельные диоды,
- Л – излучающие оптоэлектрические приборы,
- О – оптроны.

12.

3-й элемент – число – основные
функциональные возможности прибора:
- 1 - диоды выпрямительные Iср < 0.3 A,
- 2 – выпрямительные Iср < 10 A,
- 4 – импульсные,
4-й и 5-й элементы – порядковый номер
разработки.
6-й – особенности диода в данной серии.
дополнительный – буква
-С – сборка диодов в одном корпусе,
- цифра – обозначение конструкции выводов.

13. Классификация и система обозначений диодов

2Д204В
особенности диода
порядковый номер разработки.
выпрямительные Iср < 10 A
подкласс прибора - диод
исходный материал - Si
2C156A
Кремниевый, стабилитрон, малой мощности (100),
Uст = 5,6 В, разновидности А.

14. Транзисторы

Транзисторы
Общие положения
Транзистор - полупроводниковый прибор,
позволяющий усиливать мощность электрических
сигналов.
Подразделяются на биполярные и полевые.
транзисторы
биполярные
n-p-n
полевые
p-n-p
Биполярные транзисторы были разработаны в 1947 г.
Полевые – в 1952 г.

15. Биполярные транзисторы (далее транзисторы)

Физические процессы в транзисторе
- Устройство:
два p-n-перехода,
площади переходов,
- Название электродов:
Эмиттер, База, Коллектор.
- Концентрации носителей в структурах.
- Равновесное состояние.

16. Физические процессы в транзисторе

Транзисторы
Модель транзистора типа n-p-n
Iэ
Э
Б
n+
p
Rс
Ес
─ Uбэ +
- +
Iб
К
n
-
Iк
Iкбо
(+)
Iкбо
─ Uбк +
Rк
Uвых

17. Физические процессы в транзисторе

Транзисторы
Переход Э-Б включен в прямом направлении,
поэтому электроны свободно переходят из эмиттера
в базу.
Большая часть электронов пролетает базу и
оказывается на границе перехода Б-К.
Но электрическое поле перехода Б-К для
электронов включено согласно и электроны
втягиваются полем в структуру коллектора.

18.

Транзисторы
Часть электронов рекомбинируют с дырками в
базе.
Таким образом, электроны выходят из
эмиттера под действием диффузионных сил, а
втягиваются в коллектор под действием
дрейфовых сил.
В результате рассмотренных процессов
нарушается равновесное состояние зарядов
всех структур.
Равновесное состояние зарядов должно
восстановиться за счет носителей внешних
источников.

19.

Транзисторы
Ушедшие из эмиттера электроны восполняются
электронами источника Uэб, пришедшие в коллектор
электроны компенсируются дырками источника Uбк,
рекомбинировавшие дырки базы – дырками
источника Uэб.
В результате во внешних цепях потекут токи
Iэ, Iк, Iб. По закону Кирхгофа
Iэ = Iк + Iб.
Работу транзистора характеризуют параметром α
Iк
α = Iэ
- коэффициент передачи тока эмиттера.

20.

Транзисторы
Кроме основных носителей в коллекторе имеются
неосновные
носители
дырки.
Для них поле коллектора включено согласно и они
начнут переходить в базу также нарушая равновесное
состояние коллектора и базы.
Равновесие восстанавливается приходом дырок от
источника Uбк, создавая ток Iкб .
о
Таким образом, в коллектор втекает ток Iк и
Iкбо .
Iкб
В базу втекает ток Iб и
.о

21.

Транзисторы
Ток коллектора можно выразить
Iк = α·Iэ +Iкбо
Коэффициент α имеет величину 0,95 ÷ 0,99,
т.е. весьма близкую к единице.
Ток Iк >> Iкбо

22. Вольт-амперные характеристики транзистора (ВАХ)

Свойства транзистора описывают с помощью
характеристик.
Для их получения воспользуемся моделью транзистора
на постоянном токе моделью Эберса-Молла.
p-n- переходы представим в виде двух диодов,
подключенных к источникам напряжения.

23. Вольт-амперные характеристики транзистора (ВАХ)

Транзистор можно представить также в виде
4-х полюсника, имеющего входные и выходные
полюсы. В соответствии с этим рассматривают
входные и выходные ВАХ транзистора.
В этом случае можно говорить о входном
управляющем и о выходном управляемом токах.
I1
о
I2
о
U2
U1
о
о

24.

Модель Эберса-Молла
Iэ
Iк
Э
К
─
+
Uэб
Uбк
Iб
Б
─
+
ОБ
Iэ = Iк + Iб
Iк = α·Iэ + Iкбо
α≤1
Модель позволяет получить ВАХ.
- выходную коллекторную Iк = ƒ(Uкб,Iэ),
- входную Iэ = ƒ(Uэб,Uкб),
ƒ – некоторая функция.
Транзисторы

25. Коллекторная характеристика Iк = ƒ(Uкб,Iэ)

Транзисторы
Коллекторная характеристика Iк = ƒ(Uкб,Iэ)
Переход К-Б включен в обратном
направлении, чему соответствует обратная
ветвь p-n-перехода.
Наряду с этим Iк = α·Iэ , α ≤ 1
Iк
Нормальный
активный режим
Iэ′″ > Iэ″ > Iэ′ > 0
Iэ′″
Iэ″
Iэ′
Пробой
Iэ = 0
Iкбо
Uкб

26. Входная характеристика Iэ = ƒ(Uэб,Uкб)

Переход Э-Б включен в прямом
направлении, чему соответствует прямая ветвь
p-n-перехода.
U
кб > 0
o
t=60 C
Iэ
20 oC
Uкб = 0
Iкбо
Uэб

27. ВАХ схемы общий эмиттер (ОЭ)

Транзисторы
ВАХ схемы общий эмиттер (ОЭ)
В схемотехнике чаще используется включение
транзистора по схеме общий эмиттер.
В этом случае эмиттер является общим как для
входной цепи так и для выходной.
Iб
+
Uбэ
─
К
Б
Iк +
Uкэ
Э
Iэ
─
Iб – управляющий
ток,
Iк – управляемый ток.
Iэ = Iк + Iб

28.

Транзисторы
Определим ток коллектора применительно к
схеме ОЭ.
В уравнение Iк = α·Iэ +Iкб
подставим значение тока
о
Iэ = Iк + Iб. После преобразований получим
Iкбо
α
Iк = 1 ─ α ·Iб + 1 ─ α
Обозначим
α
1─α
=В
Iкбо
= Iкэ о
1─α
Iк = В·Iб + Iкэо
Iкэо - сквозной ток транзистора

29.

Транзисторы
Iк = В·Iб + Iкэо
Ток
Iкэо << Iк
В=
Iк = В·Iб
α
1─α
В
α=
В+1
При α = 0,99, В ≈ 100.
Это означает, что ток коллектора в 100 раз больше
тока базы

30. ВАХ схемы общий эмиттер

.
Коллекторные характеристики Iк = ƒ(Uкэ,Iб)
Iк = В·Iб
Iк
Iб″ 60 ºС
Iб′″ > Iб″ > Iб′
Iб′″
rк = ∆Uк
Iб″ 20 ºС
∆Iк
Iб′
∆Uк
Iкэо
∆Iк
Iб = 0
Рк.доп
Uкэ

31. Входная характеристика Iб = ƒ(Uбэ,Uкэ)

Переход Б - Э включен в прямом направлении,
чему соответствует пряма ветвь p-n-перехода.
Iб
t=60 oC Uкэ = 0
Iб2
Uкэ > 0
20 oC
∆Iб = ( Iб2 Iб1)
∆Uбэ
rдиф = ∆Iб
∆Iб
Iб1
Uбэ
Iкб0
∆Uбэ

32. Параметры транзистора

α
- статический коэффициент передачи тока эмиттера,
.
В - статический коэффициент передачи тока базы,
α
В
В=
α= В+1
1─α
∆Uбэ - дифференциальное сопротивление цепи
rдиф = ∆Iб
базы,
rк = ∆Uк - дифференциальное сопротивление цепи
∆Iк
коллектора,
Iкэо - сквозной ток транзистора в схеме ОЭ,
Мощность рассеяния Рк = Uк·Iк < Рк.доп
Рк.доп – допустимая мощность рассеяния
коллекторной цепи.
Эта мощность выделяется в виде тепла.

33.

Инерционные свойства транзисторов
При быстром изменении сигнала начинают проявляться
инерционные свойства транзисторов.
Причины:
- Конечная и различная скорость (энергия) носителей зарядов,
- конечная толщина базы,
- процессы насыщения и рекомбинации.
Эти причины ограничивают частотные свойства
транзисторов.

34.

Инерционные свойства транзисторов
Подадим во входную цепь транзистора – цепь
базы скачок тока ∆Iб. Из-за указанных причин
ток коллектора начнет возрастать не сразу, а с
некоторой задержкой.
Нарастание тока коллектора происходит по
экспоненциальному закону,
который характеризуется постоянной времени
τ (читается тау).

35.

Нарастание тока коллектора происходит в течение
времени tф – время фронта.
∆Iк = В·∆Iб
Iб
∆Iб
Iк
0,63∆Iк
∆Iк 0,9·∆Iк
τ
tз
tф
tф - время, в течение которого экспонента нарастает до
уровня 0,9·∆Iк называется время фронта.

36.

За одну постоянную времени τ экспонента нарастает
до уровня 0,63·∆Iк.
Появление затягивания фронта свидетельствует о том,
что коэффициенты α и В зависят от времени (частоты).
Эту зависимость характеризуют постоянной времени τв.
Частотные свойства транзисторов:
- граничная частота ƒгр (ωгр) – частота, на которой
коэффициент В уменьшается в √ 2 раз.
- частота единичного усиления |В(jω)| = 1.
1
τв = 1/ωв =
ωгр ≈ Во/τв
2πƒ
ω – круговая частота,
ω = 2πƒ

37. Шумы транзистора

При работе транзистора возникают шумы.
Шум – хаотическое изменение тока коллектора под
действием внутренних и внешних факторов.
Шумы обусловлены:
- дробовый шум - дискретность носителей зарядов,
- тепловой шум,
- поверхностные явления у p-n-переходов,
- рекомбинационные шумы.

38. Шумы транзистора

Величину шума оценивают коэффициентом шума
Кш.
Кш = Uш/Uшо или Кш[дБ] = 10lg Кш
Uш – напряжение, которое необходимо подвести
во входную цепь «нешумящего» транзистора для
получения в выходной цепи напряжения, равного
напряжению шумов.
Uшо – напряжение тепловых шумов источника
сигнала, подключенного ко входу транзистора.
Шумы ограничивают минимальное значение
входных сигналов.

39. Влияние изменения температуры на ВАХ

Токи в транзисторе сильно зависят от изменения
температуры.
- Ток Iкэо удваивается при изменении
температуры на каждые 8 -10 градусов.
- Коэффициент В увеличивается при повышении
температуры с темпом 3% на градус.
- На входной ВАХ ТКН = - 2 мВ/ºС.
-Указанные факторы приводят к увеличению тока
коллектора с повышением температуры.
Поэтому коллекторные ВАХ смещаются в
область больших токов коллектора.
171

40. Влияние температуры

Iк.доп
Iк
Iб
Iб″ 60 ºС
Iб2
t=60 oC Uкэ > 0
20 oC
Iб″ 20 ºС
Н
Iб′
Iб = 0
Iб1
Рк.доп
о
Iкэо Uкэ.допUкэ
Uбэ
Iкб0
Если зафиксирован ток базы, то напряжение Uбэ с
повышением температуры уменьшается.
Если зафиксировано напряжение Uбэ, то
увеличивается ток базы с повышением температуры.

41. Предельные режимы работы транзистора

1. По температуре. Для Si – 100 – 120 ºC.
Для приборов на основе GaAs рабочая
температура может достигать 200 ºС.
2. По току Iк.доп возможен перегрев.
3. По напряжению Uкэ.доп возможен пробой.
4. По рассеиваемой мощности Рк = Iк·Uк ≤ Рк.доп.
5. Рабочая область.
6. Н – область насыщения.
7. О – область отсечки коллекторного тока.
8. | B(j·ω)| = 1.

42. Классификация и система обозначений

В основу системы положен буквенно-цифровой код.
1-й элемент:
Г или 1 – германий,
К или 2 – кремний или его соединения,
А или 3 – соединения галлия,
И или 4 – соединения индия.
Буквенные символы присваиваются приборам общего применения.
Числовые - приборам специального применения.
2-й элемент:
Т – подкласс прибора – транзистор биполярный.
3-й элемент:
Наиболее характерные эксплуатационные признаки.

43. Классификация и система обозначений

3-й элемент классификации: мощность рассеяния и
граничная частота.
граничная частота мГц
до 30
> 30 до 300 > 300
Мощность Вт до 3
Малая < 0.3 101-199 201-299 301-399
Средняя < 1.5 401-499 501-599 601-699
Большая > 1.5 701-799 801-899 901-999
До 1 Вт
1
2
4
Больше 1 Вт
7
8
9

44. Классификация и система обозначений

4-й элемент – классификационный литер –
буква.
Дополнительные знаки:
С – сборки транзисторов в одном корпусе,
Цифра – бескорпусные транзисторы.

45. Классификация и система обозначений

2 Т 3 01 А
Кремниевый
Транзистор
Разновидность в серии
Номер разработки в серии
Мощность < 0,3 Вт
высокочастотный
КТ3102А - граничная частота до 300 мГц.
КТ937А-2 – кремниевый, биполярный,
большой мощности, высокочастотный,
номер разработки 37, группа А, бескорпусной,
с гибкими выводами на кристаллодержателе.

46. система обозначений

Коллектор соединен
с корпусом
К
Вывод от корпуса
Б
Б
Положительный
ток
К
Э
Транзистор типа n-p-n
“обратный”
Положительный
ток
Э
Транзистор типа p-n-p
“прямой”
Допускается окружность не рисовать.
Изображение транзистора можно поворачивать на 90º
в любом направлении.
Внешний вывод коллектора и эмиттера можно
изображать так как показано или повернуть на 90º.

47. Транзисторы

123

48.

Биполярные транзисторы
Эквивалентные схемы замещения транзисторов
Различают:
- физическую Т-образную эквивалентную схему,
- формальную модель
в h-параметрах,
в Z-параметрах,
в R-параметрах.

49. Эквивалентные схемы замещения транзисторов

Эквивалентные схемы необходимы для
проведения анализа и синтеза электро- и
радиотехнических схем
Рассматриваемые далее эквивалентные схемы
можно использовать при условии, что
-транзистор работает в линейном режиме,
- изменения токов и напряжений малы по
амплитуде,
- нелинейные ВАХ можно заменить линейными,
- параметры транзистора в общем случае
являются дифференциальными.

50. физическая Т-образная эквивалентная схема

Эквивалентная схема для включения
транзистора по схеме общий эмиттер.
Iб
+
Uбэ
─
º
К
Б
Э
+
Iк
Uкэ
Iэ ─
Установим в центре базы
теоретическую точку.
Между точкой и выводом
базы имеется распределенное
объемное сопротивление базы.
Обозначим его через rб.

51.

Эквивалентная схема для включения транзистора по схеме общий
эмиттер.
Iб
+
Uбэ
─
Между точкой и выводом
+ эмиттера имеется p-n-переход,
Iк характеризующийся
К
Б
º
дифференциальным
Uкэ
Э
сопротивлением rэ.
Iэ ─
Между точкой и выводом
коллектора имеется
p-n-переход, характеризующийся
дифференциальным
сопротивлением rк.
∆Uк
∆Uбэ
r
к
=
rдиф = ∆Iб
∆Iк

52. физическая Т-образная эквивалентная схема

Iэ = Iк + Iб
Ток коллектора протекает также по сопротивлению rк*
учтем этот ток.
Uкэ
Iк = В·Iб + Iкэо + *
rк
Ск*
Б
Iб
Uбэ
rб
rк*
В·Iб
rэ
Iэ
Iкэо
Э
К
Iк
Uкэ

53.

Эквивалентная схема составлена для
постоянного тока.
Схему можно распространить и для переменного
тока, приняв допущения:
- амплитуда переменной составляющей тока и
напряжения много меньше величины постоянной
составляющей,
∆Iк << Iк , ∆Uк << Uк
- нелинейные ВАХ считаем линейными.

54.

Iб
Uкэ > 0
Iб2
∆Iб=(Iб2-Iб1)
Iб1
Uбэ2
∆Uбэ=(Uбэ2-Uбэ1)
Uбэ
Ск* - барьерная емкость коллекторного перехода
при включении транзистора по схеме ОЭ.
rк* - дифференциальное сопротивление коллекторного
перехода при включении транзистора по схеме ОЭ.

55.

rэ - дифференциальное сопротивление
перехода Э-Б, включенного в прямом
направлении.
φт
rэ =
Iэ
φт – температурный потенциал p-n-перехода.
При температуре 20 ºС φт = 0,025В или 25мВ.
Если задан ток эмиттера Iэ = 1 мА, то
rэ = 25 Ом.

56.

Наличие в схеме реактивного элемента в виде
емкости говорит о том, что в общем виде схема
является частотнозависимой.
В·Iб и
Iкэо
являются генераторами тока,
обеспечивая ток коллектора.
Ток В·Iб >> Iкэо, поэтому во многих случаях
обратный ток можно не учитывать.

57.

Параметры эквивалентной схемы:
*
- rэ, rб rк* Iкэо Ск
В
α
В= 1-α α=
В+1
Таким образом, получена обычная
электротехническая цепь, состоящая из
пассивных и активных элементов.
К ней применимы все законы электротехники,
позволяющие проводить анализ и синтез цепей.

58.

Генератор тока В·Iб можно заменить генератором
напряжения на основании теоремы об
эквивалентном генераторе. Тогда схема станет
чисто напряженческой.
Недостаток модели состоит в том, что
r-параметры можно получить
только теоретически, расчетным путем.

59. физическая Т-образная эквивалентная схема

Схема включения транзистора ОБ
Ток эмиттера является управляющим,
ток коллектора – управляемым.
Uкб
I
кб
Iк = α·Iэ +
о+
rк
Ск
rэ
Э
rк
Iэ
Uэб
α·Iэ
rб
Iб
Iкбо
Б
К
Iк
Uкб

60. Вид транзистора КТ908А

132

61.

Биполярные транзисторы
Эквивалентные схемы замещения транзисторов
Транзистор как линейный четырехполюсник
Формальная модель
Недостаток физической схемы состоит в том, что r-параметры можно
получить только теоретически, расчетным путем.
Модель применима при условии
- транзистор работает в линейном режиме,
- изменения токов и напряжений малы по
амплитуде,
- нелинейные ВАХ можно заменить линейными.

62. Транзистор как линейный четырехполюсник

I1
о
о
I2
U2
U1
о
о
В зависимости от того, какие величины взять
за независимые переменные , а какие за
зависимые, может быть несколько моделей.
И действительно известны и применяются
системы в Y-параметрах, в R-параметрах.
Наибольшее распространение получила
система в h-параметрах.

63. Транзистор как линейный четырехполюсник

Наибольшее распространение получила система в
h-параметрах (комбинированная система).
Рассмотрим систему уравнений. В общем виде
уравнения системы нелинейные.
Учитывая введенные ранее ограничения, уравнения
будем считать линейными.
U1 = ƒ (I1,U2)
I2 = ƒ (I1,U2)
ƒ – некоторая функция.

64.

Представим четырехполюсник в виде системы
линейных дифференциальных уравнений.
Полный дифференциал можем заменить частным
дифференциалом. От частного дифференциала по
определению можно перейти к приращению ∆. От
приращений согласно договоренностей перейдем к
переменным токам и напряжениям малой амплитуды в
частности синусоидальной формы.

65.

Введем параметры.
∆U1
= h11 [Ом]
∆I1
∆U1
= h12
∆U2
∆I2
= h21
∆I1
∆I2
= h22 [Сим]
∆U2
Входное сопротивление.
Коэффициент внутренней
обратной связи, безразмерный.
Коэффициент передачи по току
Выходная проводимость
(Сименс),
выходное сопротивление.

66. Запишем систему уравнений четырехполюсника

Примем, что токи и напряжения малой амплитуды
переменного тока.
U1 = h11·I1 + h12·U2
I2 = h21·I1 + h22·U2
На основании системы уравнений составим
электрическую схему четырехполюсника.
h11
I2
I1
U1
h12·U2
~
h21·I1
h22
U2

67. Упростим электрическую схему четырехполюсника

Напряжение генератора h12·U2 << U1.
Поэтому во многих случаях анализа схемы
напряжением генератора можно пренебречь.
Сменим индексы токов и напряжений
Iвых
Iвх
Uвх
h11
h21·I
1
h22
Uвых

68. Найдем связь между параметрами

Входное сопротивление четырехполюсника.
U
вх
Rвх =
= h11
Iвх
Iвх
Uвх
h11
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Iвх = Iб rб
rэ
Iэ
Rвх = rб + (В+1)·rэ
h11 = rб + (В+1)·rэ
По сопротивлению rэ течет ток эмиттера и базы.
Ток эмиттера в (В+1) раз больше тока базы.

69. связь между параметрами

Коэффициент передачи по току для схемы включения
ОЭ
h21э = В,
где В – статический коэффициент передачи тока базы.
h21 = α,
б
где α – статический коэффициент передачи
тока эмиттера.
h22 э =
1
rк*

70. Способы получения h- параметров

Основное достоинство h-параметров состоит в том, что
их можно получить экспериментально:
- прямым измерением,
- с помощью вольт-амперных характеристик.
Iб
Uкэ = 0В ∆Uкэ = 5В – 0В= 5В
UКЭ = 5В
Iб2
∆Iб = Iб2 - Iб1
Iб1
Uбэ
′ ∆Uбэ
∆Uбэ

71. Способы получения h- параметров

с помощью вольт-амперных характеристик.
Iк
IК”
∆IК = IК” IК′
*
IК′
*
I″б
∆Iб = Iб″ – Iб′
Iб′
∆Uкэ = 10B – 5B
∆Iк′
Iб = 0
Uкэ = 5B
*
*
∆Uкэ
Uкэ
Uкэ = 10B

72. Получение h- параметров с помощью вольт-амперных характеристик

Входная характеристика
∆Uбэ
h11 =
∆Iб
′
∆U
бэ
h12 =
∆U′кэ
∆Iб
′ = [Uк = 5В] – [Uк = 0В] = 5B
∆Uкэ
∆Uбэ
∆Iк
∆Uкэ
Выходная характеристика
∆Iк
=В
∆Iб
∆Iк′
1
h22 =
= *
∆Uкэ
rк
h21 =
гэ = φт/IЭ =0,026/IЭ.

73. h- параметры

ВАХ транзистора существенно нелинейные.
Поэтому значение h-параметров зависит от точки, в
которой они определяются.
Изменение температуры также влияет на вид и
положение ВАХ транзистора.
Поэтому значение h-параметров зависит и от
температуры.
Эти зависимости приводятся в справочной литературе.
В справочной литературе приводятся также таблицы
переводов из одной системы параметров в другие
системы, для схемы включения транзистора ОБ и ОЭ.

74. Первый отечественный транзистор П1

144

75.

Полевые транзисторы
Литература
1. Миловзоров О.В., Электроника: Учебник для вузов.
/О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. М.: Высшая школа, 2004.
Идея работы полевого транзистора была
высказана в 1930 г.
В 1952 г. принцип работы удалось реализовать
японскому ученому Есаки.

76. Полевые транзисторы

Полупроводниковый
электропреобразовательный
прибор, способный усиливать мощность электрических
сигналов.
Особенность работы транзисторов состоит в том,
что:
- выходной ток управляется с помощью электрического
поля,
- в процессе протекания электрического тока участвуют
только
основные
носители.
Поэтому такие транзисторы называют униполярными.

77.

Классификация ПТ
ПТ
с p-n-переходом
МДП-транзистор
n-канальный
встроен. канал
р-канальный
n-канальный
индуцир. канал
n-канальный
р-канальный
МДП - металл, диэлектрик, полупроводник

78.

Классификация ПТ
В зависимости от того, как изолирован
управляющий
электрод
от
управляемого
токопроводящего канала различают транзисторы:
- с управляющим p-n-переходом,
-с изоляцией диэлектриком - МДП-транзисторы.
Если в качестве изолятора используется SiO2 –
двуокись кремния – то транзистор называют МОПструктурой
(металл-окисел-полупроводник).

79.

Классификация ПТ
В зависимости от конструктивного исполнения
проводящего канала различают транзисторы:
- встроенный канал,
- индуцированный канал.
Встроенный канал организуется при
технологическом изготовлении транзистора.
Индуцированный канал образуется во время
работы транзистора.
В зависимости от того, какие носители
являются переносчиками тока, различают:
- n-типа (n-канальные),
- р-типа (р-канальные).

80.

Принцип работы ПТ
Структура ПТ с управляющим p-n-переходом
ПТ представляет собой пластину слаболегированного
полупроводника n-типа, на боковой грани которой
сформирована область обогащенного полупроводника
р-типа. Эти области образуют p-n-переход.
Сток (С)
р-nр+
Ic
Канал
Затвор (З)
Uзи –
+
+ Uси
nИсток (И)
–

81.

Электрод, через который в канал втекают носители тока
называется исток (и).
Электрод, через который носители тока вытекают из
канала – сток.
Электрод, называемый затвором, предназначен для
регулирования поперечного сечения канала .
Концентрация носителей n-типа в канале много
меньше концентрации дырок в области затвора.
Сток (С)
р-nр+
Ic
Затвор (З)
Uзи –
+
Канал
nИсток (И)
–
Поэтому область
p-n-перехода, обедненная
носителями, будет
располагаться в основном,
в канале.

82.

Принцип работы ПТ
Подключим к структуре внешние источники
напряжения.
Управляющий p-n-переход включен в обратном
направлении и имеет высокое сопротивление.
Принцип действия такого транзистора заключается в
том, что при изменении напряжения на затворе
изменяется
толщина
обедненного
слоя,
а
следовательно,
изменяется
сечение
канала,
проводимость канала и ток стока.
Т.е. изменением напряжения на затворе можно
управлять током стока.

83.

Принцип работы ПТ
При некотором напряжении Uзи канал полностью
перекроется обедненной областью
p-n-перехода и ток стока уменьшится до нуля.
Это напряжение является параметром транзистора и
называется напряжением отсечки тока стока Uзи.отс.

84.

Принцип работы ПТ
Примем Uзи = 0. При небольших напряжениях
сток-исток Uси канал ведет себя как линейное
сопротивление. По мере роста напряжения
обедненный слой будет расширяться, причем около
стока в большей мере, чем около истока. Сечение
канала будет уменьшаться и рост тока замедлится.
Начиная с напряжения Uси = Uзи.отс в транзисторе
будет наблюдаться режим насыщения. Этот эффект
называют эффектом модуляции длины канала.

85.

Вольт-амперные характеристики ПТ
Основными статическими характеристиками
полевого транзистора являются:
- выходная или стоковая Ic = ƒ(Uси, Uзи),
- передаточная или стокозатворная
Ic = ƒ(Uзи, Uси) .

86.

Вольт-амперные характеристики ПТ
Выходная ВАХ Ic = ƒ(Uси, Uзи)
Ic, мА
Uзи = 0
4
Ic.нач
Uзи = 0,5В
2
Uзи = 1,0В
Uзи = 1,5В
4
8
12
16
20
Uси.проб.
Uси, В

87.

Вольт-амперные характеристики ПТ
Стокозатворная характеристика Ic = ƒ(Uзи, Uси)
Эта характеристика хорошо описывается выражением
Uзи
Ic = Ic.нач (1 )2
Uзи.отс
Ic мА
4
Ic.нач
Uси = 10В
Uси = 5В
2
∆Uси
- 2,0
∆Ic
- 1,0
Uзи В
∆Uзи

88.

Параметры ПТ
В общем случае ВАХ транзистора являются нелинейными.
Однако при небольших значениях переменных составляющих напряжений и
токов полевой транзистор можно считать линейным элементом.
Параметры, характеризующие свойство транзистора
усиливать напряжение
∆Ic
мА
- крутизна
S=
∆Uзи Uси = const
В
- дифференциальное сопротивление сток-исток
[
∆Uси
rси =
∆Ic Uзи = const
- коэффициент усиления по напряжению
∆Uси
μ = ∆Uзи Iс = const
]
[Ом ]

89.

Параметры ПТ
Малосигнальные параметры связаны
соотношением
μ = S• rси
Параметры транзистора можно определить
экспериментально, как показано на входной
ВАХ.
Значение параметров зависит от точки ВАХ,
в которой они определялись.

90.

Возможны три схемы включения полевого
транзистора:
с общим истоком,
общим стоком,
общим затвором.
Наибольшее применение находит схема ОИ.
В рабочем режиме в цепи затвора протекает
ток обратносмещенного p-n-перехода,
составляющий единицы наноампер.
Полевой транзистор имеет высокое входное
сопротивление, что является одним из
основных его достоинств.

91.

Полевые транзисторы с изолированным затвором
В транзисторах этого типа затвор отделен от
полупроводника (канала) слоем диэлектрика. Если
используется двуокись кремния SiO2, то транзисторы
обозначают аббревиатурой
МОП-транзисторы.
МДП транзисторы делятся на два типа:
- со встроенным каналом (обедненного типа),
- с индуцированным каналом (обогащенного типа).
Канал может быть n-типа или р-типа.
Особенность транзисторов данного типа – очень
высокое
входное сопротивление, поскольку
управляющий затвор отделен от остальной структуры
слоем изолятора.

92.

МДП транзистор со встроенным каналом
-
+ Uси
Ic
- Uзи
З
С
И
Металл Al
SiO2
n+-
n+p-
канал n-типа
p-типа
П -подложка
Транзистор может работать в двух режимах:
- обеднения,
- обогащения.

93.

Встроенный канал
Режим обеднения.
На затвор подается отрицательное напряжение по
отношению к истоку.
Под действием электрического поля электроны
выталкиваются из подзатворной области,
канал
обедняется носителями и ток стока уменьшается.
Режим обогащения.
На затвор подается положительное напряжение по
отношению к истоку.
Под действием электрического поля электроны
втягиваются в подзатворную область,
канал
обогащается носителями и ток стока увеличивается.

94.

МДП транзисторы с индуцированным каналом
- Uси
+
Ic
- Uзи
З
С
И
Металл Al
SiO2
p+-
p+n-
n-типа
П -подложка

95.

МДП транзисторы с индуцированным каналом
До некоторого напряжения Uпор канал отсутствует и
транзистор закрыт.
Режим обогащения
На затвор подается отрицательное напряжение по
отношению к истоку.
Под действием электрического поля электроны
выталкиваются из подзатворной области, канал
обогащается носителями р-типа и образуется канал,
начинает протекать ток стока.

96.

МЕП транзисторы
МЕП - металл-полупроводник
В последнее время широкое распространение получили
транзисторы
с
управляющим
p-n-переходом.
Металлический затвор с полупроводником образует
барьер Шоттки. Канал n-типа образуется обедненной
областью барьера. Транзистор этого типа может
работать как в режиме обеднения так и в режиме
обогащения.

97.

МЕП - транзисторы
(металл-полупроводник)
Металл Al
И
З
n+-
С
SiO2
n+-
p-
канал n-типа
p-типа GaAs
П -подложка
Транзисторы
используются в мощных
быстродействующих устройствах

98.

Полевые транзисторы с изолированным затвором
Обобщенная стокозатворная характеристика
транзисторов различного типа
р-канал
П
П
Ic
З
П
З
П
И
З
С
И
З
n-канал
И
Uпор
Uзи.отс
Uзи

99.

Ячейка памяти на основе МОП-транзистора
Используются транзисторы с индуцированным
каналом.
Предназначены
для
создания
быстродействующей программируемой запоминающей
ячейки
флэш-памяти.
Позволяет
производить
электрическую запись и стирание одного бита
информации.
Эти
устройства
являются
энергонезависимыми. Информация не стирается при
отключении питания.

100.

Ячейка памяти на основе МОП-транзистора
Упрощенная структура ячейки флэш-памяти
И
З
С
Нитрид кремния
Si3N4
SiO2
n+-
n+p-
p-типа GaAs
П -подложка

101.

Ячейка флэш-памяти
При записи информации в ячейку памяти на затвор
подается
импульс
напряжения.
В результате происходит пробой тонкого слоя
изоляции. Электроны получают дополнительную
энергию и туннельным эффектом переходят в
плавающий затвор. Затвор заряжается отрицательно.
Пороговое напряжение увеличивается.
При обращении к транзистору такой ячейки он
будет восприниматься как выключенный (ток стока
равен нулю). Это соответствует записи одного бита –
единицы.

102.

Ячейка флэш-памяти
При стирании информации электроны уходят с
плавающего
затвора
(также
в
результате
туннелирования) в область истока.
Транзистор в этом случае воспринимается при
считывании информации как включенный. Что
соответствует записи логического нуля.
Циклов записи-считывания может быть сотни
тысяч.
Записанное состояние ячейки может храниться
десятки лет.

103.

Модели полевого транзистора
Используются в основном две модели:
- Физическая эквивалентная схема,
- Схема в Y- параметрах.
Наиболее универсальна физическая эквивалентная
схема. Она учитывает переменную составляющую токов и
напряжений.
С
S – крутизна,
rс
Сзс
rс - сопротивление участка
канала от стока до средины,
З
rи – сопротивление участка
S·Uзи
канала от средины до истока.
Сзи
Сзс – распределенные
rи
емкости затвор-канал.
И

104.

Модели полевого транзистора
При
проведении
предварительного
используется упрощенная схема
анализа
С
iз = 0
Uзи ~
S·Uзи
iс
rк Uси ~
и
iс~= - S·Uзи ~

105.

Модели полевого транзистора
Модель в Y- параметрах
С
З
Y21·Uзи
Uзи Y11
Y12·Ucи
Y22 Uси
и
iз = Y11·Uзи + Y12·Uси
ic = Y21·Uзи + Y22·Ucи
Y- параметры можно получить экспериментально

106.

Классификация и система обозначений
Классификация полевых транзисторов аналогична
классификации биполярных транзисторов.
Второй элемент – класс прибора – П – полевой
транзистор.
КП303Б – кремниевый, полевой транзистор, малой
мощности (до 0,3 Вт), с граничной частотой до 30 мГц,
номер разработки 03, разновидность в сери – Б.

107.

Система обозначений полевого транзистора
Транзистор с управляющим p-n-переходом
С
р-типа
n-канальный
З
И
Транзистор со встроенным каналом
П
З
n-канальный
П
р-канальный
Транзистор с индуцированным каналом
П
З
И
n-канальный
Подложку П технологически
соединяют с истоком.
Иногда подложку выводят
отдельным выводом.

108.

Тиристоры
Тиристорами
называют
полупроводниковые
приборы с тремя и более p-n-переходами
В зависимости от числа выводов тиристоры делят на
- диодные (динисторы), имеющие два вывода - от анода
и катода,
- триодные (тиристоры), имеющие выводы от анода,
катода и одной из баз,
- тетродные, имеющие выводы от всех областей.

109.

Тиристоры
В процессе работы тиристор может находиться в
одном из двух возможных состояний. В одном их них
тиристор выключен или закрыт. В этом состоянии
тиристор имеет высокое сопротивление и ток в
нагрузке практически равен нулю.
Во втором состоянии тиристор включен или
открыт. В этом состоянии тиристор имеет малое
сопротивление и ток в цепи определяется
сопротивлением нагрузки.

110.

Устройство тиристора
p-n - переходы
Катод
П3 П2
n2 p2
УЭ1
П1
n1
Анод
p1
УЭ2
Iа
Управляющие
электроды
UA
–
+
Rн

111.

Контакт к внешнему p-слою называют анодом, а к
внешнему n-слою - катодом. Внутренние области ри n-типа называют базами. Выводы от баз образуют
управляющие электроды УЭ1 и УЭ2.

112.

Рассмотрим физические процессы в тиристоре, для чего
представим его в виде двух биполярных транзисторов
Анод +
VT1
α1
П1
П2
p
VT2
n
p
n
p
n
Iа Анод
VT1
П2
П3
I б1 = I к2
α2
VT2
I к1 = I б2
Катод -
Iк
Катод

113.

На физические процессы в тиристоре основное
влияние оказывают два фактора:
- зависимость коэффициента передачи по току
от тока эмиттера,
- лавинное умножение носителей в обеднённом
слое коллекторного перехода, обусловленное
наличием положительной обратной связи.

114.

Динистор
При положительном напряжении на аноде крайние
переходы П1 и П3 будут смещены в прямом
направлении, а центральный переход
П2
в
обратном.
Этот переход является коллектором для обоих
транзисторов.
Через переход П1 будет протекать ток инжекции
дырок и электронов I1
= I1p + I1n,
через переход П3 ток I3 = I3p + I3n.

115.

Динистор
Через коллекторный переход П2
обусловленный
дырочной
и
составляющими.
I2p = I1· 1, I2n = I3· 2,
a также обратный ток коллектора
Iко = Iкор + Iкоn
Общий ток I2 = I1· 1 + I3· 2 +Iко.
потечет ток,
электронной

116.

Динистор
Токи через переходы, включенные
последовательно, должны быть одинаковы
I1 = I2 = I3 = I
Iко
I=
1 – ( 1 + 2)
Обратный ток коллектора описывается
экспоненциальной зависимостью.

117.

Динистор
Пока напряжение на аноде относительно не велико,
ток динистора будут определяться обратным током
коллектора.
При этом ( 1 + 2) << 1.
При увеличении напряжения на аноде и достижения
им напряжения пробоя начинается процесс лавинного
пробоя и умножения носителей n- и р-типа вследствие
ударной ионизации.

118.

Динистор
В
базе
они
накапливаются
и
уменьшают
потенциальный барьер. Увеличиваются токи эмиттеров,
увеличивается ток коллектора, при этом увеличиваются
коэффициенты , что ведет к дальнейшему увеличению
токов. Включается механизм положительной обратной
связи.
При ( 1 + 2)
1 ток увеличивается до
бесконечности.
Это означает, что коллекторный переход открылся, его
сопротивление
уменьшилось,
уменьшилось
напряжение на динисторе до 0,5 – 1,0 В.

119.

Динистор
Вольт-амперная характеристика динистора
Ia
RH
+EA
A
UA
K
Uвкл
*
Ua

120.

Динистор
Динисторы применяются в быстродействующих
системах защиты схем, нагрузки от перенапряжения.
При превышении напряжением + ЕП напряжения Uвкл
на аноде динистор включается и напряжение на нем
уменьшается до 0,5 – 1,0 Вольта.
FU
+EП
* А
Д
*
RH

121.

Тиристор
Тиристор имеет дополнительный вывод
от одной из
баз эквивалентного транзистора.
Электрод
называется
управляющим.
Управление может быть относительно катода или анода.
Управление по катоду
Iко
I=
1 – ( 1 + Iу· 2)
Если Iу = 0, то тиристор работает
A
RН р1
n1
+ Еа
УЭ
p2
как динистор.
Iу
Uу
n2
K
При Iу > 0, тиристор
включается при меньшем
напряжении на аноде.

122.

Тиристоры
Вольт-амперная характеристика тиристора
Ia
Параметры:
Ра.доп
- Uвкл,
Iа.доп
- Iвкл
′
′′
Iу >Iу
- Uоткл
- Uобр
- Iа.доп
Iу′′ > 0 Iу′ > 0
- Ра.доп
Iу = 0 - tвкл
Uобр
Iвкл
Ua
Uоткл
- tвыкл
Uвкл| при IУ = 0
Uвкл| при IУ > 0

123.

Тиристоры
На обратной ветви указанного эффекта не
наблюдается.
Включенный тиристор с помощью тока управления
выключить нельзя.
Для выключения тиристора необходимо уменьшить
напряжение на аноде до напряжения отключения или
ток анода уменьшить меньше тока выключения.
В последнее время разработаны полностью
управляемые тиристоры.

124.

Симисторы
В силовой преобразовательной технике широко
используются симметричные тиристоры –
симисторы, триаки. Каждый симистор подобен паре
рассмотренных тиристоров, включенных встречнопараллельно.
Их особенность состоит в том, что они
управляемые как при положительном, так и при
отрицательном напряжениях на анодах.

125.

Симисторы
Условное графическое обозначение симистора
А
А
УЭ
УЭ
К
К

126.

Симисторы
Вольт-амперная характеристика симистора
Ia
- UВКЛ
Ua
+ UВКЛ

127.

Классификация и система обозначений
В основу обозначений тиристоров положен
буквенно-цифровой код
Первый элемент – исходный материал.
Второй элемент – вид прибора:
Н
–
диодный
тиристор
–
динистор
(Н - неуправляемый),
У – триодный тиристор – (У - управляемый).

128.

Классификация и система обозначений
Третий
элемент
обозначает
основные
функциональные возможности прибора и номер
разработки
От 101 до 199 – диодные и незапираемые триодные
тиристоры малой мощности.
От 401 до 499 – триодные запираемые тиристоры
средней
мощности,
Iср до 10 А.
Четвертый элемент – буква – обозначает
типономинал прибора.

129.

Графическое обозначение тиристоров
А
А
К
Динистор
УЭ
К
Тиристор
А
К
УЭ
Симистор
управление по катоду
и по аноду
КН102Б – кремниевый, неуправляемый, малой
мощности, 02 разработки, разновидности Б.
КУ201К - кремниевый, управляемый, средней
мощности, 01 разработки, разновидности К.

130.

Применение тиристоров
Тиристоры применяются в силовых преобразователях
электрической энергии:
- управляемые выпрямители,
- конверторы,
- в устройствах управления электроприводом.
Существуют фототиристоры, управляемые с
помощью оптронов.
Они позволяют осуществить гальваническую развязку
информационной маломощной системы управления от
силовой части.

131.

Применение тиристоров
Тиристоры
применяются
выпрямителях.
в
управляемых
В ряде случаев требуется не только преобразование
переменного напряжения в постоянное, но и плавное
регулирование выходного выпрямленного напряжения.
Наиболее
экономичным
способом
является
применение управляемых диодов - тиристоров.
Такие преобразователи называются регуляторами.
Под управлением подразумевается внешнее
управление в том числе и автоматизированное.

132.

Применение тиристоров
Простая схема регулятора.
Д1
Т
U1
Переменное
напряжение
U2
Rн
CУ
U1
Uу
iн
Д2
СУ – схема управления.

133.

Применение тиристоров
Система управления формирует синхронно с
напряжением U1 импульсы управления, фаза которых
относительно напряжения U2 может регулироваться.
Тиристоры открываются и пропускают импульс тока
при положительной полуволне на аноде и поступлении
импульса тока на управляющий электрод.

134.

Применение тиристоров
Нагрузка RН
подключена к средней точке
трансформатора,
Поэтому если на аноде Д1 действует положительная
полуволна напряжения U2, то на аноде Д2 действует
отрицательная полуволна и диод Д2 закрыт.
В следующий полупериод Д1 закрывается, а Д2 –
открывается.
Таким
образом,
выпрямитель
является
двухполупериодным.

135.

Применение тиристоров
Регулирование
выпрямленного
напряжения
заключается в изменении момента включения
тиристора.
Угол сдвига фазы между напряжением включения
тиристора и напряжением U2 называется углом
управления и обозначается символом α.

136.

Применение тиристоров
Uу
t1
t3
t
Uн
Iн
U2m
Uн.ср, Iн.ср
α
t2

137.

Применение тиристоров
Угол α изменяется и изменяется площадь по кривой
синусоиды, изменяется среднее значение выпрямленного
напряжения.
От момента to до момента t1 оба тиристора закрыты и ток в
нагрузку не течет.
В момент времени t1 открывается тиристор 1 и по нему и по
нагрузке течет импульс тока до момента времени t2.
В момент времени t3 открывается тиристор 2 и по нему и по
нагрузке течет импульс тока в течение второго полупериода
напряжения U2.

138.

Применение тиристоров
R
МК 5 В
SITAC
Rн
~
220 В

139.

тиристоры

140.

Основы микроэлектроники
Элемент – часть микросхемы, реализующая
функцию какого либо электрорадиоэлемента, которая
не может быть выделена
как самостоятельное
изделие.
Под электрорадиоэлементом понимают транзистор,
диод, резистор, конденсатор, соединение и др.

141.

Основы микроэлектроники
Элементы могут выполнять и более сложные
функции,
например,
логические
(логические
элементы) или запоминания информации (элементы
памяти).
Структура ячейки флэш-памяти
И
З
С
Нитрид кремния
Si3N4
SiO2
n+p-
n+-
p-типа GaAs
П -подложка

142.

Основы микроэлектроники
Компонент – часть микросхемы, реализующая
функцию какого либо электрорадиоэлемента, которая
может быть выделена как самостоятельное изделие.
Компоненты
устанавливаются
на
подложке
микросхемы при выполнении сборочно-монтажных
операций. К простым
компонентом
относятся
бескорпусные транзисторы, диоды, малогабаритные
катушки
индуктивности
и
др.
Сложные компоненты содержат несколько элементов,
например,
диодные
сборки.

143. Бескорпусные транзисторы

144. Основы микроэлектроники

С
точки
зрения
внутреннего
устройства
микросхема
представляет собой совокупность
большого числа элементов и компонентов,
размещенных на поверхности или в объеме общей
диэлектрической или полупроводниковой подложки.
Термин «интегральная» отражает конструктивное
объединение элементов и компонентов, а также
полное или частичное объединение технологических
процессов их изготовления.

145. Основы микроэлектроники

Микросхемотехника (интегральная схемотехника)
как одна из основ микроэлектроники охватывает
исследования и разработку оптимальных схем.
Многие современные микросхемы
являются
очень сложными
электронными устройствами,
поэтому при их описании и анализе используются
по меньшей мере два уровня схемотехнического
представления.

146. Основы микроэлектроники

Первый наиболее детальный
уровень – это
электрическая
схема.
Она
определяет
электрические
соединения
элементов
(транзисторов, диодов, резисторов и др.).
На этом уровне устанавливается связь между
электрическими
параметрами
схемы
и
параметрами входящих в нее элементов.

147. Основы микроэлектроники

Электрическая схема – условное графическое
обозначение электрической цепи. На электрической
схеме
изображаются
ее
элементы
–
идеализированные модели реально существующих
электрических устройств (транзисторов, диодов,
резисторов и др.).
Под
электрической
цепью
понимают
совокупность
соединенных между собой
электротехнических устройств и элементов, по
которым может протекать электрический ток.

148.

Второй уровень структурная
схема.
Она определяет функциональное соединение
отдельных каскадов, описываемых электрическими
схемами.
Помехи
Источник
сигнала
Усилитель
Источник
питания
Нагрузка
усилителя

149. Основы микроэлектроники

По функциональному назначению микросхемы
подразделяются на аналоговые и цифровые.
В аналоговых микросхемах сигналы изменяются
по закону непрерывной функции. Типовой пример
аналоговой микросхемы – операционный усилитель.
Цифровая микросхема
предназначена для
преобразования
и
обработки
сигналов,
изменяющихся по закону дискретной функции.

150. Основы микроэлектроники

Конструктивно-технологические
типы
ИМС
Конструктивно-технологическая
классификация
микросхем учитывает способы изготовления и
получаемую
при
этом
структуру.
По конструктивно-технологическим признакам
различают
полупроводниковые
и
гибридные
микросхемы.

151. Основы микроэлектроники

В полупроводниковой микросхеме все элементы и
междуэлементные соединения выполнены в объеме и
на
поверхности
полупроводника.
Структура, содержащая элементы, межэлементные
соединения и контактные площадки, называется
кристаллом интегральной микросхемы.

152.

Кристалл интегральной микросхемы

153.

Конструктивно-технологические типы ИМС
Основным полупроводниковым материалом МС в
настоящее время является кремний.
Важное
конструктивно-технологическое
преимущество
кремния связано со свойствами слоев диоксида
кремния, получаемых на его поверхности при
окислении
(двуокись
кремния
SiO2).

154.

Конструктивно-технологические типы ИМС
Эти слои используют в качестве масок при
локальном легировании кремния примесями, для
изготовления элементов, в качестве подзатворного
диэлектрика
МДП-транзистора, а также для
защиты поверхности
кристалла
от влияния
окружающей среды и др.

155.

Конструктивно-технологические типы микросхем
Достаточно большая ширина запрещенной зоны
кремния обуславливает малые обратные токи p-nпереходов, что позволяет создавать микросхемы,
работающие при повышенных температурах до
оС.
125
В некоторых микросхемах слой кремния, в
котором формируются элементы, выращивают на
диэлектрической подложке, в частности
из
сапфира ( структура типа «кремний на сапфире»).
Она обеспечивает повышенную радиационную
стойкость.

156.

Конструктивно-технологические типы микросхем
Разновидностью полупроводниковых
являются
совмещенные микросхемы, в которых транзисторы
размещаются
в активном слое кремния, а
пленочные резисторы и диоды, как и проводники, на
слое
двуокиси
кремния.

157.

Конструктивно-технологические типы микросхем

158.

Конструктивно-технологические типы микросхем
Основным активным элементом
биполярных
микросхем являются транзисторы
типа n-p-n.
Кроме того используются диоды на основе p-n
переходов и переходов металл-полупроводник
(диоды Шотки), полупроводниковые резисторы,
пленочные
резисторы,
изготовляемые
в
поликристаллическом
слое
кремния.

159.

Конструктивно-технологические типы микросхем
Основным элементом МДП-микросхем
являются МДП-транзисторы с каналом n-типа.
Площадь этих транзисторов на кристалле
значительно меньше, чем биполярных,
поэтому для микросхем на n-канальных МДПтранзисторах достигается самая высокая
степень интеграции. Но они уступают
биполярным структурам по быстродействию.

160.

2. Технологические основы микроэлектроники
Структуры, электрические параметры
микросхем и их элементов определяются
технологией изготовления.
Создание микросхем начинается с создания
монокристаллических полупроводниковых
слитков цилиндрической формы.
Диаметр составляет 10 – 12 сантиметров.
454

161.

2. Технологические основы микроэлектроники
Их получают в специальных реакторах
путем выращивания кристалла из расплава
кремния. Далее слитки многократно
пропускают через индукционные печи с
местным нагревом для удаления примесей и
дефектов кристаллической решетки. Примесей
должно быть менее одного атома на миллион
атомов кремния.
Слитки выращивают также на космических
станциях.
455

162.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Монокристаллические полупроводниковые
слитки цилиндрической формы разрезают на
пластины толщиной 0,4 – 0,5 мм. Далее
пластины шлифуют, полируют и проводят
химическое травление для удаления
поверхностного дефектного слоя и получения
поверхности с шероховатостью 0,03 – 0,05
мкм.
В течение всего технологического цикла
производится очистка поверхности пластины с
помощью ультразвука.
455

163.

Технологический цикл разделяют на два больших
этапа – обработки пластин и сборочно-контрольной.
На первом этапе на пластинах формируются структуры
микросхем, т.е. их элементы и соединения.
Второй этап начинается с контроля функционирования
микросхемы на пластине с помощью механических зондов.
После контроля пластины разрезают на кристаллы,
соответствующие отдельным микросхемам.
Кристаллы устанавливают в корпус, соединяют
контактные площадки кристалла с выводами корпуса и
герметизируют корпус.
Затем производится окончательный контроль и
испытания готовых микросхем с помощью
автоматизированных систем.
456

164.

Технологические приемы создания микросхем
Эпитаксия - процесс наращивания на пленку
монокристаллического слоя, повторяющего
структуру подложки или ее
кристаллографическую ориентацию.
Эпитаксиальная пленка создается на всей
поверхности подложки. Одновременно в нее
вводятся примести , распределяющиеся
равномерно по объему пленки.
457

165.

Технологические приемы создания микросхем
На границе раздела пленки с подложкой
формируют p-n, n+-n p+-p переходы.
Эпитаксия проходит в газофазной среде в
реакторе при высокой температуре.
В реактор последовательно подаются
необходимые химические элементы.
458

166.

Диффузия примесей – технологическая
операция легирования – введение примесей в
пластину или эпитаксиальную пленку.
При высокой температуре (около 1000 оС)
примесные атомы поступают через
поверхность и распространяются вглубь
вследствие теплового движения.
459

167.

Основной механизм проникновения
примесного атома в кристаллическую решетку
состоит в последовательном перемещении
по вакантным местам решетки.
Как правило, легирование ведется чрез
маску двуокиси кремния или нитрида кремния
Si3N4.
Концентрация вводимых примесей
максимальна у поверхности и спадает по
направлению в глубь пластины.
460

168.

Диффузия
N
Доноры
SiO2
NД(х)
Nа
nр-
x
xo
x
На уровне ХО концентрации доноров и акцепторов
одинаковые. Это соответствует p-n-переходу.
461

169.

Ионное легирование – технологическая
операция введения примесей в
поверхностный слой пластины или
эпитаксиальной пленки путем бомбардировки
ионами примесей.
Получение ионов, их ускорение и
фокусировку производят в специальных
вакуумных установках.
Пары легирующих элементов поступают в
ионизационную камеру, где возбуждается
высокочастотный или дуговой электрический
разряд.
462

170.

Ионное легирование
Образовавшиеся ионы ускоряются в
электрическом поле (до 300 кВ), фокусируются
в пучок с плотностью тока до 100 А/м2 и
площадью сечения 1-2 мм2.
Система сканирования обеспечивает
перемещение пучка по заданной траектории.
463

171.

Ионное легирование позволяет создавать слои
с субмикронными горизонтальными размерами
толщиной менее 0,1 мкм с высокой
воспроизводимостью параметров. Этот процесс
позволяет внедрять в качестве примесей
практически любые элементы.
Ионы доноров
SiO2
nр464

172.

Термическое окисление
Термическое окисление позволяет получить
на поверхности кремниевых пластин пленку
двуокиси кремния для создания изолирующих
слоев, масок и др.
Окисление выполняют в эпитаксиальных
или диффузионных установках, пропуская над
поверхностью пластин газ-окислитель
кислород, водяной пар или их смесь при
температуре 1000-1300 оС.

173.

Термическое окисление
Во многих случаях слои SiO2 необходимо
выращивать лишь на определенных участках
кристалла. Для этого используют маску
нитрида кремния. Прорастание диоксида в
глубь кристалла позволяет использовать его
для изоляции соседних слоев.

174.

Если после окисления удалить маску нитрида
и провести неглубокое легирование донорами,
то получим изолированные друг от друга слои
n-типа.
SiO2
Si3N4
р-
Si
р-
Si3N4
n-
Si
р-
SiO2
n-
Si
467

175.

Травление
Травление представляет собой удаление
поверхностного слоя чаще всего химическим путем.
Его применяют для получения максимально ровной
бездефектной поверхности пластин, удаления
двуокиси и других слоев с поверхности.
Локальное травление используется для получения
рисунка поверхности и масок.
В основе жидкостного травления лежит химическая
реакция жидкого травителя и твердого тела, в
результате которой образуется растворимое
соединение.
Локальное травление осуществляется через маску.

176.

Травление. Удаление участка двуокиси
кремния.
Травитель
Маска
нерастворимого
фоторезиста
SiO2
р-
Si
469

177.

Литография
Литография – процесс формирования
отверстий в масках, создаваемых на поверхности
пластин, предназначенных для локального
легирования, травления, окисления, напыления и
других операций.
Она основывается на использовании
светочувствительных полимерных материалов –
фоторезистов, которые могут быть негативными и
позитивными. Негативные фоторезисты под
действием света полимеризуются и становятся
нерастворимыми в специальных веществах –
проявителях.

178.

После локальной засветки растворяются и
удаляются незасвеченные участки.
Рисунок будущей маски задается фотошаблоном.
Он представляет собой стеклянную пластину, на
одной стороне которой нанесена тонкая
непрозрачная пленка требуемой конфигурации.
Основные этапы процесса фотолитографии.
На окисленную поверхность кремниевой
пластины наносится тонкий слой раствора
фоторезиста и высушивается.
На пластину накладывают фотошаблон (ФШ) и
экспонируют, затем его снимают.

179.

Литография
Свет
ФШ
р-
Si
р-
Si
р-
Si
ФР
SiO2
После проявления негативный
фоторезист удаляется с
незасвеченных участков.
Получается фоторезистивная
маска, через которую далее
травят слой двуокиси кремния,
после чего фоторезист
удаляется.
473

180.

Литография
Разрешающая способность.
Она оценивается максимальным числом линий
раздельно воспроизводимых в маске в пределах 1 мм.
Принципиальным ограничительным фактором
является дифракция света. Нельзя получить линию
толщиной менее длины волны λ света.
Для повышения разрешающей способности
применяют:
- Освещение ультрафиолетовым светом,
- Рентгеновская литография.
- Электронно-лучевая литография.
474

181.

3. БИПОЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ
В ИМС применяются в основном транзисторы
n-p-n-типа. Их особенность в интегральном
исполнении состоит в наличии дополнительных
областей, изолирующей их от общей
полупроводниковой подложки.
Все выводы от областей транзистора
располагаются в одной плоскости на
поверхности подложки. Такая структура
называется планарной.
349

182.

3.1 Структура эпитаксиально-планарного транзистора
Транзистор выполнен на высокоомной
подложке р– типа. Локальной диффузией
донорных примесей создается скрытый слой
n+-типа.
Диффузией бора через маску формируют
изолирующую область р+-типа окружающую
коллекторную область n-типа.
В пленке диоксида кремния , покрывающей
поверхность кристалла, создают контактные
отверстия через которые напылением пленки
алюминия формируют контакты к эмиттеру,
коллектору, базе, подложке.
476

183.

Структура эпитаксиально-планарного транзистора
Э
р+
n+
Б
р
К
Al
n+
р+
SiO2
n
n+
р-
Si
477

184.

МНОГОЭМИТТЕРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Многоэмиттерные транзисторы n-p-n-типа отличаются от
обычных тем, что в их базовой области р-типа создают
несколько эмиттерных областей n+-типа.
Основная область применения МЭТ – цифровые
микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
к
Б
э
Б
э
к
478

185.

ТРАНЗИСТОРЫ С ДИОДОМ ШОТКИ
Э
n+
К
Б
р
Al
SiO2
n+
n
р+
р+
n+
р-
Si
К
Б
Э
479

186.

РЕЗИСТОРЫ
В микросхемах в качестве резисторов применяются
базовые высокоомные слои р-типа. Изопланарная
структура может быть следующей.
В
В
р
n
р-
n+
Al
SiO2
n+
n
Si
480

187. КОНДЕНСАТОРЫ

Структура МДП-конденсатора может быть следующей.
Одной из обкладок является n+-слой, другой – слой
металла (алюминий), а диэлектриком – слой диоксида
кремния
В
В
Al SiO2
р
n
р-
Si
482

188.

• При создании интегральной схемы памяти
МОП -транзисторы с плавающим затвором
очень часто выполняются в едином
технологическом цикле в паре с обычным
МОП-транзистором с управляющим
затвором.
И2
p+-
С2
pn-
И1
З
p+-
С1
р+-
483

189.

В последние годы разработан новый элемент
флэш- памяти, названный StrataFlash, в котором
в одном элементе памяти хранятся два бита.
Это достигается тем, что в плавающем затворе
транзистора определяется не только наличие
или отсутствие заряда, но и измеряется его
абсолютная величина (а в случае необходимости
— и его знак) по нескольким заданным
значениям. В частности, записывая и затем
определяя четыре значения величины заряда,
можно хранить в одном элементе два бита
информации.
484

190.

• Еще большее увеличение информационной
емкости может быть достигнуто тем, что
каждая ячейка памяти разделяется на
симметричные половинки изолирующим
слоем из нитрида кремния и, таким образом,
имеет удвоенную емкость в четыре бита.
485

191.

483

192.

Литература
Основная литература:
1. Булычев А. Л., Лямин П. М. Электронные приборы. М.:
Лайт Лтд., 2000. 416 с.
2. Пасынков В.В.Чиркин А. К. Полупроводниковые
приборы: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1987. 479 с.
3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. Учеб.пособие для
вузов. – 3-е изд. М.: Высшая школа, 1996.
4. Тырышкин И.С. Физические основы
полупроводниковой электроники. М.: Высшая шк. 2000.
5. Бойко В.И. Схемотехника электронных систем.
Цифровые устройства: Учебник. – М.: BHV, 2004 – 506с.
6. Лачин В.И., Савелов В.С. Электроника: Учебное
пособие. Ростов-на-Дону: изд-во «Феникс», 2000. 448 с.
359

193.

Литература
Дополнительная литература:
7. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.:
Корона прин,1998.
8. Жеребцов И.П. Основы электроники. 5-е изд. – Л.:
Энергоатомиздат, 1990.
9. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых
электронных устройств: Учебник для вузов. 2-е изд.,
исправленное. М.: Горячая линия -Телеком, 2001. 320 с.
360

194.

Бескорпусной транзистор с упаковкой
361

195.

Электроваккумные приборы
362

196.

Мощный генераторный триод с радиатором
363

197.

Электровакуумный пентод
298

198.

Микросхемы памяти и транзисторы
299