2.6.2 Великі імс

Великою інтегральною схемою називається така схема, в корпусі якої на одній пластині (або в її об’ємі) міститься велика кількість (10² і більше) схемних комірок, з’єднаних між собою в складну функціональну схему.

Головна мета переходу до ВІС – отримання більш високих якісних показників і більшої надійності електронних пристроїв при менших затратах. Підвищення надійності ВІС обумовлено, головним чином, застосуванням більш якісних компонентів, зменшенням кількості зварних з’єднань і кількості технологічних операцій. Наприклад, з’єднання кристал – вивід корпусу – друкований провідник – вивід корпусу – кристал замінюється в ВІС одним напиленим на пластину тонко плівковим з’єднанням.

За технологічною ознакою розрізняють гібридні і напівпровідникові (монолітні) ВІС. Для побудови гібридних ВІС застосовують багатошарову товсто- і тонко плівкову розводку, яка дозволяє здійснити комутацію без корпусних інтегральних мікросхем і плівкових пасивних елементів. При виготовленні напівпровідникових ВІС застосовують базові кристали в вигляді матриць біполярних або польових транзисторів.

Контрольні питання і вправи

1. Яки принципи покладені в основу створення напівпровідникових ІМС?

2. Як пояснити термін «планарна технолдолгія» стосовно до виготовлення напівпровідникових ІМС?

3. Дайте характеристику сучасних ВІС.

2.7 Оптоелектронні прилади

2.7.1 Елементна база мікроелектроніки – світловипромінювачі, фотоприймачі

Оптоелектроніка – один із найбільш розвинених напрямків в функціональній мікроелектроніці, оскільки оптичні і фотоелектричні явища достатньо добре вивчені, а технічні засоби, що базуються на цих явищах, довгий час використовуються в електроніці. Тим не менш, оптоелектроніка як самостійний науково-технічний напрямок виникла порівняно недавно, а її досягнення нерозривно пов’язані з розвитком сучасної мікроелектроніки.

Первинно оптоелектроніка вважалась порівняно вузькою галуззю електроніки, що вивчає лише напівпровідникові світовипромінювачі та фотоприймачі. Тепер в поняття «оптоелектроніка» включають такі напрямки, як лазерна техніка, волоконна оптика, голографія та ін.

Мікроелектронні світловипромінювачі були розглянуті в попередніх параграфах даного підручника. В даному параграфі ми розглянемо прилади, які працюють на основі фотоефекту – фотоелектричні прилади.

• Ф отоелектричний прилад – перетворювач променевої енергії, під дією якої змінюються властивості робочого середовища, що міститься в приладі.

Під променевою розуміють енергію електромагнітного випромінювання широкого діапазону частот. Однак в більшості випадків фотоелектронні прилади є приймачами електромагнітних випромінювань оптичного діапазону, до якого відносяться ультрафіолетове, видиме иа інфрачервоне випромінювання довжиною хвилі від 5∙10^-9 до 10^-3 м. Ультрафіолетови випромінювання лежить в діапазоні довжин хвиль 5∙10^-9 … 4∙10^-7 , інфрачервоне – 7,6∙^10-7 … 10^-3 м.

Розрізняють два види фотоефекту:

• Внутрішній фотоефект – збудження електронів речовини, тобто перехід їх на більш високий енергетичний рівень під дією випромінювання, дякуючи чому змінюється концентрація вільних носіїв зарядів, а отже, і електричні властивості речовини.

• Зовнішній фотоефект – це фотоелектронна емісія, тобто вихід електронів за межі поверхні речовини під дією випромінювання.

Внутрішній фотоефект спостерігається лише в напівпровідниках і діелектриках і проявляється у вигляді зміни електричної провідності в однорідних напівпровідниках або створення ЕРС в неоднорідних напівпровідниках (p-n структур). Напівпровідникові прилади з однорідною і неоднорідною структурами, в яких використовується внутрішній фотоефект , служать в якості фотоелектричних напівпровідникових приймачів випромінювання. Про такі прилади (фотодіод, фототранзистор, фото тиристор, фоторезистор) ми розповідали в попередніх розділах.

Фотоелектронна емісія в більшій чи меншій мірі може відбуватися в будь-якій речовині. Зовнішній фотоефект лежить в основі роботи електровакуумних фотоелектричних приладів – електронних і газорозрядних фотоелементів, а також фотоелектронних помножувачів.

Оптоелектронні прилади складають собою групу напівпровідникових приладів; вони складаються із випромінювача і приймача електромагнітного випромінювання. В якості випромінювача зазвичай служить елемент, що перетворює електричну енергію в енергію електромагнітного випромінювання, а приймачем є фоточуттєвий елемент, що перетворює енергію електромагнітного випромінювання в електричну енергію.

Електровакуумні фотоелементи. Електровакуумний (електронний або іонний) фотоелемент являє собою діод, у якого на внутрішній поверхні скляного балону нанесений фотокатод у вигляді тонкого шару речовини, що імітує фотоелектрони. Анодом зазвичай є металеве кільце, яке не заважає попаданню світла на фотокатод. В електронних фотоелементах створений високий вакуум, а в іонних знаходиться інертний газ, наприклан аргон, під тиском в декілька сотень паска лей (декілька міліметрів ртутного стовпа). Катоди зазвичай застосовуються сурмяно-цезієві або срібляно-киснево-цезієві.

Будова електронного фотоелемента показана на рис.2.7.1, а; схема ввімкнення – на рис. 2.7.1,б.

В колі аноду А знаходиться джерело постійної напруги Е_а=150-200 В і навантаження R. При освітленні фотоелемента його катод К починає емітувати електрони і в анодному колі виникає струм, пропорційний інтенсивності світлового потоку Ф. Струм прийнято називати фотострумом

, (2.7.1)

де S – світлова чуттєвість фотокатода, мкА/лм;

Ф – світловий потік, лм.

При зміні світлового потоку Ф пропорційно змінюється фотострум І_Ф, а вихідна напруга

, (2.7.2)

Таким чином в фотоелементі здійснюється керування вихідною напругою за допомогою світла.

Анод І_Ф

Світловий Ф

Рис. 2.7.1. Будова електровакуумного фотоелемента (а) і схема його ввімкнення (б)

потік А

R

Катод

Е

К - +

а б

ис.

Основними електричними параметрами фотоелементів є чуттєвість, максимально допустима анодна напруга і темновий струм.

Світлова чуттєвість фотокатоду S характеризує фотострум в мікроамперах, що викликається світловим потоком в 1 лм. Для підвищення чуттєвості фотокатоду його виготовляють із матеріалів, які мають малу роботу виходу електронів під дією квантів світла на поверхню фотокатоду.

У відсутність потоку випромінювання через фотоелемент проходить невеликий темновий струм, його величина визначається головним чином термоелектронною емісією фотокатоду (навколишньою температурою і напругою аноду).

Порівняно з електронним в газорозрядному фотоелементі світлова чуттєвість фотокатоду збільшується майже в 10 раз за рахунок несамостійного газового розряду.

Властивості фотоелементів відображаються їх характеристиками. Анодні (вольт-амперні) характеристики електронного фотоелемента

при Ф= const,

зображені на рис. 2.7.2,а, показують різко виражений режим насичення. У іонних фотоелементів такі характеристики спочатку йдуть майже та само, як у електронних фотоелементів, але при подальшому збільшенні анодної напруги внаслідок іонізації газу струм значно зростає (рис.2.7.2,б), що оцінюється коефіцієнтом газового підсилення, який може дорівнювати від 5 до 12.

Рис. 2.7.3. Енергетичні характеристики електронного (1) та іонного (2) фотоелементів

а б

Рис.2.7.2. Анодні характеристики

електронного (а) та іонного (б) фотоелементів

Енергетичні характеристики електронногоі іонного фотоелементів, які дають залежність при U_а= const, показані на рис 2.7.3.

Недоліками фотоелементів є неможливість мікромініатюризації і досить високі анодні напруги (десятки і сотні вольт). Тому в даний час ці фотоелементи в багатьох видах апаратури замінені напівпровідниковими приймачами випромінювання.

Фотоелектронні помножувачі. Фотоелектронний помножувач – електровакуумний прилад, в якому електронний фотоелемент доповнений пристроєм для підсилення фотоструму за рахунок вторинної електронної емісії.

Принцип роботи фотоелектричного помножувача показано на рис.2.7.4. Світловий потік Ф викликає вторинну емісію із фотокатоду ФК. Фотоелектрони під дією прискорюю чого електричного поля направляються на електрод Д₁, що називається дінодом. Він має позитивний потенціал відносно катоду, тобто є анодом по відношенню до катода і одночасно грає роль вторинно-електронного емітера. Дінод виробляється із металу з достатньо сильною і стійкою вторинною електронною емісією. Тому струм первинних електронів І_Ф, що прямує з фотокатоду, вибиває із діноду Д₁ вторинні електрони, кількість яких в σ раз більший кількості первинних електронів (σ – коефіцієнт вторинної емісії діноду, зазвичай дорівнює декільком одиницям). Таким чином, струм вторинних електронів з першого діноду І₁= σ І_Ф. струм І₁ направляється на другий дінод, який має більш високий потенціал, ніж дінод Д₁. тоді із діноду Д₂ за рахунок його вторинної емісії вилітає струм електронів І₂, який в σ раз більший струму І₁ (для спрощення будемо вважати, що у всіх дінодів коефіцієнт вторинної емісії однаковий), тобто І₂= σ І₁= σ² І_Ф. в свою чергу струм І₂ напрвляється на третій дінод Д₃, у якого додатній потенціал ще вище, і від того діноду відходить струм електронів І₃= σ І₂= σ² І₁= σ³ І_Ф і т.д.

З останнього, n-го, діноду Д_n електронний струм І_n направляється на анод, і тоді струм аноду І_а= σⁿ І_Ф. таким чином, теоретично коефіцієнт підсилення струму k_i= σⁿ. Практично підсилення менше, так як не вдається всі вторинні електрони, вибиті із даного діноду, направити на наступний дінод. Щоб по можливості більша кількість вторинних електронів було використано, розроблені конструкції фотоелектронних помножувачів з різною формою електродів і різним їх взаємним розміщенням. Для фокусування потоку вторинних електронів з даного діноду на наступний застосовують, як правило, електричне поле.

+100 В +300 В

Ф Д₁ Д₃

ФК Д₂ А

+200 В +400 В

Рис. 2.7.4. Принцип будови та роботи

фотоелектронного помножувача

Основними параметрами фотоелектронних помножувачів є область спектральної чуттєвості (діапазон довжин хвиль), в якій можна застосовувати даний фото помножувач, кількість ступенів множення, загальний коефіцієнт підсилення струму, напруга живлення, інтегральна чуттєвість, темновий струм.

Фотоелектронні помножувачі мають дуже малу інерційність і можуть працювати на досить високих частотах. Їх можна застосовувати для реєстрації світлових імпульсів, які слідують один за одним через наносекундні проміжки часу. Фото помножувачі застосовують в різних областях науки і техніки: в астрономії, для вимірювання малих світлових потоків, для спектрального аналізу і т.д.