Учебное пособие 1612

УДК 534

А.Н. Квач

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ ЛЕГИРОВАННОГО МАРГАНЦЕМ

В данном докладе предоставлены результаты исследований внутреннего трения в монокристаллических пластинах арсенида галлия, легированных примесью марганца. Примесные центры марганца в кристаллической решетке арсенида галлия играют роль компенсирующих центров акцепторного типа, повышающих удельное сопротивление материала и создающих примесный уровень, отстоящий от потолка валентной зоны на 0,43 эВ.

Измерение внутреннего трения происходило по методу затухающих изгибных колебаний полупроводниковых пластин прямоугольной формы длиной 20 мм шириной 6 мм и толщиной 0,5 мм. Пластины имели ориентацию плоскости (100) с ориентацией длинной грани вдоль направления {110}. Так как удельное сопротивление исследованного арсенида галлия составляло величину 106 Ом·см, то для работы ёмкостного датчика на одну из поверхностей пластины был нанесен слой серебра толщиной около одного микрометра методом вакуумного распыления. Образцы располагались в горизонтальном положении на двух диэлектрических опорах в точках узлов изгибных колебаний, и в них емкостным методом возбуждались изгибные колебания. В процессе затухающих колебаний после отключения возбуждения определялось количество свободных колебаний между верхним и нижним порогами дискриминатора. Внутреннее трение было рассчитано по формуле как обратная величина количества колебаний.

30

УДК 538.975

С.И. Рембеза, Д.С. Пермяков

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ МЕДИ И ЦИНКА

ДЛЯ ДАТЧИКОВ ГАЗОВ

Полупроводниковые датчики газов являются популярным решением проблемы детектирования различных газов, которая очень актуальна для сфер промышлености, здравоохранения и пожарной безопасности. Полупроводниковые датчики имеют ряд преимуществ: высокая чувствительность, компактность, возможность интеграции в электрические схемы, точность выходных данных. Недостатками данных датчиков являются их малые селективность и срок службы. Механизм действия полупроводниковых датчиков основан на адсорбции молекул газа поверхность полупроводника, что приводит к изменению его сопротивления. Изменение сопротивления зависит от типа проводимости полупроводника и от того, является ли исследуемый газ окислителем или восстановителем. Основными материалами для таких датчиков являются полупроводниковые металлооксиды (n-SnO2, n-ZnO, p-Cu2O, p-CuO и д.р.). Повысить чувствительность и селективность к конкретному газу можно с помощью подбора материалов, легирования и конструктивного исполнения. Цель данной работы – отработка технологии синтеза и изучение электрофизических параметров n-ZnO/p-Cu2O, изготовленных методом спрей-пиролиза и электрохимического осаждения, соответственно. Приведены экспериментальные результаты синтеза токопроводящих пленок ZnO с помощью спрейпиролиза. Получены образцы ZnO толщиной порядка 2 мкм, сопротивлением 23,6 Ом∙см. Также приведены экспериментальные результаты синтеза плёнок Cu2O. Сопротивление и толщина полученной плёнки 8,1∙106 Ом∙см и 0,6 мкм, соответственно. Гетероструктуры были изготовлены с помощью спрей-пиролиза и электрохимического осаждения. Рассмотрена возможность их применения в качестве газового датчика.

31

УДК 538.975

В.Е. Полковников

ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПЛЕНОК НИЗКООМНОГО ОКСИДА ОЛОВА, ЛЕГИРОВАННОГО СУРЬМОЙ

Прозрачные электроды являются необходимыми компонентами солнечных элементов, от параметров оптического окна зависит КПД солнечного преобразователя. Пленка SnO2:Sb является перспективным низкоомным проводящим покрытием.

Для синтеза металлооксидных пленок SnO2:Sb была приготовлена водная лигатура объемом 450 мл с содержанием соляной кислоты 5 % и SbCl3 – 2 %. В качестве источника олова

использовался хлорид олова [SnCl2 2H2O]. Для нанесения спрейпиролизом были приготовлены два водных раствора объемом 15 мл

с 1 и 2 % SbCl3, молярное содержание хлорида олова [SnCl2 2H2O] составляло 0,99 и 0,98 M. Технология нанесения спрей-пиролизом подразумевает распыление жидкого раствора в виде аэрозоля с последующим осаждением его на горячую подложку. В качестве подложки использовались предметные стекла для микропрепаратов (ГОСТ 9284-75) размером 26×76×1 мм. Для нанесения раствора данным методом создавался аэрозоль при помощи аэрографа

OPHIR AC004A, имеющего сопло диаметром 0,3 мм. Давление воздуха для аэрографа создавалось безмасляным поршневым компрессором AS186. Оптимальными для нанесения являются следующие параметры: давление воздуха 2 бара, которое обеспечивает поток раствора 8 мл/мин; расстояние до разогретой подложки 35 см. Режим нанесения состоял из циклов длительностью по 5 секунд беспрерывной подачи аэрозоля на поверхность разогретой подложки, паузы в 20 секунд до полного нагрева поверхности подложки. Температура поверхности составляла 520 °С. В результате были получены 2 пленки SnO2:Sb. Пленка с содержанием 2 % Sb имела поверхностное сопротивление

4,9 Ом/, а ссодержаниемSb1 5,3%Ом/ .

32

УДК 53.082.32

В.П. Тропынин

РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

В медицинском портативном устройстве мониторинга концентрации закиси азота NO в выдыхаемом человеком воздухе находится газовый датчик. Данный датчик регистрирует наличие в воздухе NO в концентрации ppb (1·10-9). При изготовлении газового датчика для проверки его работоспособности и калибровки необходима газовая смесь с определенной концентрацией закиси азота.

Была изготовлена установка, схема которой представлена на рисунке.

Принцип действия установки: основной газ из баллона «Б1» через газовый редуктор «Р1» и клапан «К1» попадает в смесительную камеру «СК», открывается клапан «К3» микроманометра «М1». Основной газ создает требуемое давление, после чего клапана «К1» и «К3» перекрываются. Газ-разбавитель из баллона «Б2» через редуктор «Р2» и клапан «К2» попадает в смесительную камеру и его давление регистрируется манометром «М2». После создания необходимого давления все клапаны и редукторы закрываются и на выходе получаем готовую газовую смесь.

Схема конечной установки

33

УДК 531.768

С.А. Акулинин, В.С. Соколов

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ В СТРУКТУРЕ МЭМС АКСЕЛЕРОМЕТРА

Акселерометры – это электромеханические устройства, которые воспринимают либо статические, либо динамические силы ускорения. Статические силы включают в себя гравитацию, а динамические силы могут включать вибрацию и движение. Выходной сигнал датчика можно легко подвергнуть однократному или двукратному интегрированию, тем самым получить смещение или скорость.

Акселерометры могут измерять ускорение по одной, двум или трём осям. Трёхосевые устройства становятся все более распространёнными, так как стоимость разработки для них уменьшается.

Измерительными называются усилители, которые имеют калиброванный стабильный коэффициент усиления по напряжению или мощности и позволяют с помощью встроенных индикаторов определять параметры входных сигналов. Они предназначены для использования в качестве предварительных усилителей слабых сигналов постоянного и переменного токов, а также в качестве выходных усилителей мощности.

Измерительный усилитель обладает линейной зависимостью выходного напряжения или тока от соответствующих входных параметров. Такой усилитель отличается малыми погрешностями амплитудной характеристики, хорошей стабильностью и, как правило, имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления. В современных МЭМС акселерометрах измерительные усилители находятся на одной подложке с датчиком ускорения и изготавливаются в едином технологическом процессе.

34

УДК 620.3:9

С.А. Акулинин, В.А. Орлов

НАНОИНЖЕНЕРИЯ В СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

В связи с истощением запасов углеводородов (результат постоянного роста добычи), перед человеком возникла цель поиска альтернативных источников энергии. Одним из таких источников является солнечная энергия. Среди перспективных преобразователей солнечной энергии особый интерес вызывают солнечные батареи.

Солнечная батарея представляет собой полупроводниковый электрический генератор, который преобразует солнечную энергию в электрическую. Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H) или арсенида галлия и поликристаллические полупроводники.

Большинство современных солнечных элементов (СЭ) обладают одним p-n-переходом. Фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.

Главное применение солнечные батареи нашли в космонавтике, где они занимают доминирующее положение среди других источников автономного энергопитания.

35

УДК 629.319

С.А. Акулинин, Е.В. Моргунов

СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ В УСТРОЙСТВАХ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Стратегической задачей для учёных является создание батарей высокой ёмкости, которые можно было бы использовать в разных областях, к примеру, для электромобилей. Это позволит обеспечить поездки на длительные дистанции и быструю зарядку батарей. Также это гарантирует более экономичную работу возобновляемых источников энергии путем аккумулирования избытков энергии: ветроэнергетические установки, солнечные батареи и так далее.

Суперконденсаторы (ионисторы, ульстраконденсаторы, двухслойные электрохимические конденсаторы) - это электрохимические устройства, конденсаторы с органическим или неорганическими электролитами, «обкладками» в которых служат двойные электрические слои на границе раздела электрода и электролита, которые существенно отличаются от обычных практически неограниченной долговечностью, более низкими потерями тока и большими значениями удельной мощности. В состав суперконденсатора (ионистора) входят два погруженных в электролит электрода и сепаратор. Задача последнего заключается в предотвращении перемещения заряда между двумя электродами, имеющими противоположную полярность.

Фактически суперконденсаторы представляют собой аккумулятор, но на порядок с лучшими свойствами. В первую очередь это относится к существенно более быстрому заряду и разряду. К недостатком суперконденсатора следует отнести низкие рабочие напряжения, для увеличения которых необходимо включать устройства последовательно и применять схемы балансировки.

36

УДК 621.382

С.А. Александров, А.А. Винокуров

ДИАГНОСТИКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

Микроконтроллер – система на кристалле, которая содержит различные функциональные блоки, в том числе и выполненные по разным технологиям – КМОП, биполярной, flash.

Сложность контроля микропроцессорных устройств, как и любых интегральных схем с высокой степенью интеграции, состоит в том, что для большинства блоков возможна только проверка работоспособности при помощи тестовых последовательностей и проверка электрически параметров только для выходных цепей.

В то же время существует проблема выявления потенциально ненадежных схем, то есть схем, параметры которых соответствуют нормам, но в них присутствуют скрытые дефекты, которые могут привести к преждевременному выходу из строя. Задача выявления потенциально ненадежных схем решается путем применения технологических тренировок и измерения информативных параметров.

Идея диагностики различных функциональных блоков микроконтроллера по информативным параметрам состоит в том, что изменяя прошивку и входные последовательности, а также применяя внешние воздействия (например, повышенную температуру), можно получить разброс по значениям информативных параметров. В качестве подходящих информативных параметров могут выступать токи потребления, критическое напряжение питания, его температурная зависимость. Определяться функциональный отказ микроконтроллера может по появлению ошибок на выходах.

Для исследования выбраны микроконтроллеры AVR семейства Mega. Для данных микроконтроллеров возможно программное отключение функциональных блоков. Результатом работы является набор программ и режимов измерения параметров, позволяющих отсеять потенциально ненадежные микроконтроллеры.

37

УДК 538.91

Д.И. Гладнева, А.А. Винокуров

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ДИАГНОСТИКЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Возникновение скрытых дефектов в процессе изготовления полупроводниковых изделий может быть обусловлено некачественной пайкой кристалла на основание корпуса, а также наличием локальных участков с аномально высоким тепловым сопротивлением. Увеличение теплового сопротивления выше допустимых значений приводит к образованию теплового пробоя, что негативно влияет на изделие. В случае если площадь непропоя составляет небольшую величину по отношению к общей площади кристалла и не затрагивает активных областей прибора, то часть изделий не отбраковывается при изготовлении по электрическим параметрам, т.к. она имеет почти совпадающее по величине типовое тепловое сопротивление кристалл-подложка.

Использование теплового сопротивления как информативного параметра при диагностике ИС основано на установленной зависимости надежности изделия от его температуры. В настоящее время методы диагностирования ИМС по тепловым параметрам можно разделить на активные и пассивные.

Исследуемый микроконтроллер АТmega8 8-битный, выполнен по малопотребляющей КМОП-технологии и основан на AVRархитектуре RISC. Выполнив одну полноценную инструкцию за один такт, ATmega8 достигает производительности 1 MIPS на МГц, и позволяет достигнуть оптимального соотношения производительности к потребляемой энергии.

В работе проводятся прямой и обратный эксперименты. В прямом эксперименте измеряются электрические характеристики при повышенных температурах и сравниваются с эталонными значениями. При обратном эксперименте анализируется нагрев элементов устройства при различных режимах работы.

38

УДК 621.382.323

В.А. Дорохов, А.В. Арсентьев

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОЗАТВОРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ В SPICE СИМУЛЯТОРЕ

С момента появления индустрии интегральных микросхем технологические процессы продолжают сокращаться, в связи с чем стало невозможно достичь правильного масштабирования. Так, проектировать КМОП-схемы с использованием наноразмерного полевого МОП-транзистора становится проблематичным, поскольку при моделировании устройств возникают эффекты короткого канала. Чтобы уйти от этого были разработаны новые типы полевых многозатворных транзисторов, что еще и послужило улучшению характеристик, таких как ток утечки, проводимость и коэффициент передачи.

Целью данной работы является обработка и анализ электрических характеристик многозатворных транзисторов и изучение их влияния на параметры компактной модели. Приведен результат моделирования полевого транзистора с двумя независимыми затворами согласно модели level 78, соответствующей стандарту BSIMIMG от института Беркли. Моделирование показало, что при фиксации потенциала одного затвора картина распределения электрического поля искажается, что и отражает график, приведенный ниже.

39