Учебное пособие 688
.pdf
УДК 621.382.323
В.А. Дорохов, А.В. Арсентьев
РАЗРАБОТКА ТРАНЗИСТОРОВ МАЛОШ УМЯЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ ДЛЯ ПРЕДУСИЛЕНИЯ МАЛОГО СИГНАЛА
Необходимость точного измерения для разнообразных типов чувствительных приборов (датчиков), рассчитанных на очень низкие напряжения (порядка нановольт), обуславливает применение предусительных схем с использованием полевых транзис торов, доводящих уровень сигнала до микровольт.
Целью данной работы является разработка полевого транзистора для предусиления слабых сигналов, а также анализ его электрических характеристик.
Проводится моделирование конструкции пол евого транзистора с применением различных эпитаксиальных по дложек и концентраций легирующих примесей, что позволяет на основании полученных результатов определить оптимальные электрические параметры для поставленных целей. Ниже приведен ре зультат моделирования в технологическом САПР с применением разработанной технологии.
Схема транзистора
40
УДК 621
А.В. Арсентьев, Н.С. Булавина
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ JFET ПО ТЕХНОЛОГИИ CoolSiC
SiC - карбид кремния, предлагает альтернативу кремниевой технологии изготовления транзисторов.
Преимущества полупроводников из карбида кремния (SiC) с широкой запрещенной зоной обусловлены их более высоким электрическим полем, большей теплопроводностью, более высокой скоростью насыщения электронами и более низкой концентрацией собственных носителей по сравнению с кремнием (Si). Чрезвычайно низкие потери переключения и проводимости делают устройство еще более эффективным, компактным, легким и холодным.
Корпорация Infineon предлагает свою версию высоковольтного полевого транзистора под патентованным названием CoolSiC.
Транзистор CoolSiC с широкой запрещенной зоной очень привлекателен в качестве основного материала для силовых устройств благодаря низким потерям, улучшенным температурным характеристикам и высокой теплопроводности.
Эти преимущества приводят к более высокой эффективности системы, позволяют использовать более высокие частоты переключения, повышенную удельную мощность и снижение затрат на охлаждение. Благодаря концепции нормально включенного полевого транзистора полностью исключены любые связанные с надежностью проблемы. Устройство показывает очень хорошую стойкость к короткому замыканию.
Технология CoolSiC – это будущее для мощных полупроводниковых приборов. На основе технологии SiC разрабатывается семейство CoolSiC, которое сегодня является одним из наиболее востребованных в энергосберегающем оборудовании.
41
УДК 621.382.3
В.Р. Власик
МОДЕЛИРОВАНИЕ НОРМАЛЬНО ОТКРЫТОГО HEMT НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ GaN-Si
Всовременном производстве приборов все чаще применяются гетероструктуры на основе GaN. Данное направление рассматривается многими развитыми странами как одно из наиболее важных в связи с исчерпыванием возможностей по улучшению характеристик приборов на основе кремния. По данным агентства перспективных разработок США существующий уровень развития приборов на основе нитрида галлия по их основным параметрам, надежности и объему производства указывает на необходимость замены их предшественников в СВЧ-системах, таких как станции мобильной связи, спутниковые системы радиосвязи.
Полученные значения плотности мощности HEMTтранзисторов на основе GaN в 5-10 раз выше, чем у аналогичных приборов на GaAs, что в свою очередь обеспечивает улучшение качественных характеристик устройств по выходной мощности, эффективности, стоимости и массогабаритным размерам.
Внастоящий момент используются три основные направления в производстве гетероструктур, которые отличаются подложкой. Широкое распространение получили структуры GaN на сапфировых подложках и на подложках карбида кремния, но приборы, выпущенные на данных подложках, выходят достаточно дорогостоящими, в связи с чем развитие получило третье направление - подложки из кремния. Применение кремния в качестве подложки считается крайне перспективным благодаря нескольким факторам, а именно доступности высококачественных подложек диаметром до 12 дюймов и совместимости со стандартным оборудованием кремниевой технологии.
Вданной работе мы произведем расчет нормально открытого HEMT на основе гетероструктуры GaN-Si, с помощью программы TCAD, а также проведем экономический анализ производства элемента.
42
УДК 621.382.3
А.А. Гнездилов
МОДЕЛИРОВАНИЕ НОРМАЛЬНО ЗАКРЫТОГО HEMT НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ GaN-Si
На данный момент технологии производства кремниевых МОПтранзисторов дошли до совершенства и параметры этих устройств приблизились к теоретическому пределу, определяемому физическими возможностями кремния. Нитрид галлия превосходит кремний по ряду параметров. Именно поэтому изделия на базе нитрида более перспективны в качестве альтернативных МОП-транзисторов.
Целью данной работы является моделирование свойств транзистора с высокой подвижностью электронов и расчёт электрических характеристик.
Стоит отметить, что GaN-транзисторы отличаются от Siтранзисторов полупроводниковыми свойствами материалов. Во-первых, сопротивление открытого канала GaN-транзистора существенно ниже кремниевого. Во-вторых, входная ёмкость GaN-ключа минимальна. Отсюда следует, что нитрид-галлиевые транзисторы дают возможность переключать напряжения в сотни вольт, причём длительность переходных процессов находится в наносекундном диапазоне. Поэтому они хорошо подходят для построения мощных импульсных источников питания с рабочими частотами от 10 до 100 МГц и большими выходными токами.
Одним из представителей GaN-устройств с улучшенной структурой является транзистор GS66516B от компании GaN Systems, сочетающий рабочее напряжение 650 В, большое значение тока стока и высокую частоту переключений.
Моделирование GaN транзистора будет проводиться в автоматизированной системе приборно-технологического проектирования (TCAD).
43
УДК 621.317.33
Р.П. Филипенко
РАЗРАБОТКА И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КМОП-МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА
MEMS-акселерометр — маленькое устройство, которое измеряет проекцию кажущегося ускорения и представляет собой геометрическую разницу между настоящим ускорением объекта и ускорением свободного падения.
В данной работе используется трехосный MEMSакселерометр MMA7331L, который может работать в одном из двух режимов измерения ускорений ±4g и ±12g. Так как в приборе находится 3 ортогональные оси чувствительности, то можно получить пространственный вектор ускорения.
Сущность работы этого типа акселерометров базируется на измерении смещения инерционной массы сравнительно корпуса со следующим преобразованием его в пропорциональный электрический сигнал.
Акселерометры могут фиксировать статическое и динамическое ускорения, вследствие этого их возможно применить для получения различной информации в качестве датчиков вибрации, наклона и ускорения. Выходной знак таких датчиков — это напряжение, пропорциональное ускорению.
Предусмотрена температурная зависимость выходных сигналов, что приводит к необходимости оценки аддитивных и мультипликативных погрешностей. Мультипликативная погрешность связана с погрешностью масштабного коэффициента. Аддитивные погрешности подразумевают собой суперпозицию шумов, перекрестных связей и дрейфа нулевой отметки выходного сигнала.
Блок выбора чувствительности акселерометра, блок перекрестных связей по осям; модели выходных сигналов и температурные зависимости долговременного дрейфа нулевой отметки и шумов акселерометра.
44
УДК 621.317
У.С. Шукалина
РАЗРАБОТКА ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩЕГО МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это устройства, которые объединяют микроэлектронные и микромеханические компоненты. Сейчас довольно сложно найти системы, которые не используют датчики, изготовленные с использованием МЭМС.
Акселерометр – это устройство, которое измеряет проекцию кажущегося ускорения (разницу между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением).
В соответствии с конструкцией ускорение делится на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные. Соответственно, они позволяют измерять проекции кажущегося ускорения на одну, две, три оси.
Множество акселерометров также имеют встроенную систему сбора и обработки данных. Это позволяет создать полноценную систему измерения ускорения и вибрации со всеми необходимыми элементами.
Акселерометр состоит из пружины, движущейся массы и демпфера. Пружина прикреплена к неподвижной поверхности, а масса прикреплена к пружине. С противоположной стороны он поддерживается амортизатором, который фактически уменьшает нагрузку на собственные вибрации. В процессе разгона массы пружина деформируется. Показания прибора основаны на деформации. Три из этих устройств объединены в осевую систему, что позволяет получать информацию о расположении объектов в трехмерном пространстве.
Развитие технологии привело к появлению акселерометра в различных типах устройств для расширения его технических возможностей. Если сразу после изобретения такие датчики использовались на паровозах для того, чтобы определить скорости их движения, то теперь такое оборудование можно найти повсюду.
45
УДК 621.382
Д.Н. Бугаев, А.А. Винокуров
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПРОЕКТОВ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ В БАЗИСЕ ПЛИС К ОДИНОЧНЫМ СБОЯМ КОНФИГУРАЦИОННОЙ ПАМЯТИ
Внастоящее время большое распространение в мире получили программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
С учетом распространенности ПЛИС встает актуальный вопрос об устойчивости схем. Архитектура современных программируемых логических схем основана на ячейках памяти, в которых под воздействием частиц с высокой энергией могут возникнуть одиночные сбои. Одиночные сбои, как правило вызывают так называемые soft-сбои, однако такие ошибки могут сделать работу нашего устройства полностью некорректной, поэтому важна как можно более стабильная работа схемы без сбоев. Основными областями, остро нуждающимися в защите от одиночных сбоев, будут: космонавтика, авиация, ядерная энергетика и военная отрасль. Таким образом целью работы становится реализация методики проверки устойчивости схемы к одиночным сбоям. Объектом исследования становится программируемая логическая интегральная схема семейства Stratix V марки 5SGXEA3K2F40C3. Для исследования устойчивости типовой схемы дискретного устройства был выбран двоичный счетчик.
Входе работы проведен анализ проблемы сбоев конфигурационной памяти и методов внесения неисправностей, а также исследована устойчивость типовой схемы дискретного устройства к сбоям конфигурационной памяти в базисе ПЛИС Quartus II Prime с использованием средства Fault Injection Debugger.
ВQuartus Prime имеется возможность обнаружить и отладить одиночные сбои, используя Отладчик вносимых неисправностей (Fault Injection Debugger). Отладчик вносимых неисправностей используется вместе с ядром внесения неисправностей (Altera Fault Injection IP core), вносящим ошибки в конфигурационную память устройства программируемой логической интегральной схемы. Эта процедура имитирует одиночные сбои (soft-сбои).
46
УДК 621.382
Р.С. Гусев, Т.В. Свистова, А.А. Винокуров
ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ ПОРТАТИВНОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ
Работа посвящена сбору статистических данных о выявленных несоответствиях нормам параметров источников питания для портативной медицинской техники, анализу данных и разработке рекомендаций по снижению количества брака.
Объектом исследования являются источники постоянного напряжения МАА.
Целью работы является исследование надежности для портативной медицинской техники, измерение электрических параметров блоков питания во время испытаний, а именно электротермотренировки, анализ причин отклонений параметров от норм и отказов.
В соответствии с поставленными целями, в ходе работы был проведен обзор литературы по теме исследования надежности источников питания для портативной медицинской техники, обеспечения качества и надежности блоков РЭА и ИС с использованием контроля электрических параметров и технологических тренировок.
Источники вторичного электропитания (ИЭП) являются неотъемлемыми компонентами в радиоэлектронной сфере. Помимо электрических характеристик немаловажную роль играют их масса, габаритные показатели, а также надежность, эффективность функционирования, качество, энергопотребление, и время готовности к работе.
Поэтому одинаково важными являются задачи по улучшению выходных характеристик ИЭП и по обеспечению надежности этих изделий.
При помощи контрольно-измерительного оборудования, были измерены электрические параметры источников питания, а именно: выходное напряжение, пульсации выходного напряжения. Также был проведен анализ температурной защиты и пробивных напряжений вход-корпус.
47
УДК 621.9
А.А. Дорофеев
МОНТАЖ П/П КРИСТАЛЛОВ НА ПРИМЕРЕ РАБОТЫ УСТАНОВКИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ ВЫСОКОЙ СЛОЖНОСТИ DATACON 2200 EVO PLUS
Установка Datacon 2200 evo plus, сконструированная специально для процессов монтажа микроэлектронных компонентов высокой сложности, таких как многокомпонентные модули (MCM) и CMOS-элементы, обеспечивает высочайшую производительность и возможность выполнения широкого диапазона смежных операций.
Основная особенность Datacon 2200 evo plus – наличие двух независимых голов. После того, как в машину будут установлены кремниевые пластины, основания и клей, оператором будет запущен процесс автоматического монтажа. Основания, на которые монтируются п/п кристаллы, представляют собой металлокерамические корпуса (рис. 1).
Внешний вид металлокерамических корпусов
Совмещение происходит при помощи машинного видения. Во время монтажа в одной части установки в посадочное окно корпуса наносится токопроводящий клей первой головой, в то же время в другой происходит монтаж второй. После установки кристалла (кристаллов) на подложку необходимо выполнить операцию, называемую Attach Cure - обработку в сушильной печи, в процессе которой происходит полимеризация адгезива, а также удаление влаги из продукта. Температурный профиль подбирается индивидуально для каждого изделия.
48
УДК 621.8
М.Н. Лубкин
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДСХЕМ FEMTOD UINO
В СРЕДЕ САПР EAGLE
Arduino Femtoduino - устройство, обладающее наименьшими размерами, простотой проектирования и высокой производительностью. В состав кнопки сброса входят следующие комп оненты: кнопка однополюсная, резистор 10 кОм; неполярный конденсатор 0.1 мкФ; связи с шинами питания (+ 5 V) и земли (GND).
Подсхемы Femtoduino: кнопка сброса, ATmega328P и стабилизатора напряжения
ВFemtoduino стабилизатор напряжения выда ет VCC. На его вход подается VIN, а на выходе получаются стабилиз ированные 5 В (Стабилизатор малошумящий - MIC5205).
ВFemtoduino большинство выводов ATmega3 28P подключено к разъемам, соответствующим макетным или иным платам расширения. Выводы подключены к схеме сброса, посл едовательному периферийному интерфейсу (SPI), к питанию (+ 5 V) и к земле (GND).
49