Литература / (тоже супер) физосновы для экз
.pdf
220 |
Р А З Д Е Л 2 |
проявляются в ограничении значений следующих параметров: падения напряжения на проводнике; сопротивления проводника и контактного перехода; плотности тока через проводник; собственной емкости и индуктивности проводника; уровня помех и др.
Расчет проводников по допускаемому падению напряжения Uдоп сводится к проверке условия
Uпр = IRпр ≤ Uпр. доп, |
(2.3.1) |
где I — ток, проходящий через проводник; Rпр — сопротивление проводника.
При этом сопротивление проводника Rпр не должно превышать допустимого значения Rпр. доп:
Rпр = ρSl/b ≤ Rпр. доп, |
(2.3.2) |
где ρS, l, b — удельное поверхностное сопротивление, длина и ширина проводника соответственно.
Значение Rпр. доп определяют из условия, чтобы погрешность сопротивления резистора из-за сопротивления проводника, соединенного с ним, не превышала 0,1–0,2 допуска на номинал резистора.
Поскольку допустимые плотности тока в пленочных проводниках велики, расчет плотности тока в проводниках не производят. Следовательно, обеспечение допустимого падения напряжения на проводнике при заданном значении ρS осуществляют расчетом по выражениям (2.3.1) и (2.3.2) соответствующих размеров l, b. Собственная паразитная емкость пленочного проводника
Cпр = 0,0241ε′l/lg(4l/b), |
(2.3.3) |
где ε′ — среднеарифметическое значение диэлектрической проницаемости, определяемое проницаемостью воздуха и подложки.
Емкость параллельных близлежащих проводников шириной b с расстоянием между ними 2a определяют по выражению
Ф И З И Ч Е С К И Е Я В Л Е Н И Я И П Р О Ц Е С С Ы В П Л Е Н О Ч Н Ы Х С Т Р У К Т У РА Х |
221 |
C = 0,0422lε′th[πa/(2dп)] × |
|
× cth[π(a + b)/(2dп)], |
(2.3.4) |
dп — толщина подложки.
Наличие паразитной индуктивности сказывается на частотах f ≥ 50 МГц и ее значение (мкГн) оценивают по формуле
Lпр = 0,02l[2,3 lg(2l/b) + 0,22b/l + 0,5].(2.3.5)
Взаимную индуктивность между параллельными проводниками равной длины рассчитывают по формуле
Mсв = 2 10 |
−3 |
|
1+ (l / a) |
2 |
|
− |
|
l{ln |
|
+ l / a |
|||
− 1+ (a / l)2 + a / l}, |
|
(2.3.6) |
||||
|
|
|||||
где a — расстояние между осями проводников. Наводимая при этом ЭДС взаимной индукции
eM = –Mсв( Iа/tф), |
(2.3.7) |
где Iа — логический перепад тока в активном проводнике, являющийся источником помехи в пассивном проводнике; tф — длительность фронта токового перепада.
Для уменьшения магнитной связи проводники проектируют с увеличенным расстоянием или располагают их перпендикулярно друг другу.
Повышение плотности размещения элементов и компонентов на плате сопровождается уменьшением ширины пленочных проводников, что приводит к повышению их сопротивления и индуктивности и соответственно к увеличению уровня помех в проводниках.
Напряжение импульсных помех, возникающих в проводниках заземления,
Uп = nLпр( I/tф), |
(2.3.8) |
где n — количество одновременно переключающихся элементов.
222 |
Р А З Д Е Л 2 |
Так, для гибридных ИМС с кристаллами ИМС ТТЛ-типа при n = 3 в проводнике длиной 5 см и шириной 0,01 мм Uп ≈ 0,45–1,125 В. Для уменьшения уровня помех, обусловленных падением напряжений на проводниках питания и заземления, необходимо уменьшить сопротивление и индуктивность пленочных проводников за счет увеличения их толщины и ширины и уменьшения длины, что достигается в процессе проектирования. При этом шины питания и заземления проектируют в одном слое без пересечения проводников.
В гибридных ИМС контактные площадки образуют два типа контактных переходов: контактная пара «резистивная пленка — низкоомная проводящая пленка» и контактная пара из двух низкоомных пленок. Контакт характеризуется сопротивлением Rк, которое имеет существенное значение для перехода первого типа.
Исходя из электрической модели контакта значение сопротивления Rк определяется формулой
Rк = (ρSρк)1/2/(btgψlк), |
(2.3.9) |
где ρк — удельное переходное сопротивление контактов, Ом мм2; ψ ≈ (ρS/ρк)1/2; lк — длина контактной области с резистором шириной b.
Анализ выражения (2.3.9) показывает, что минимальное значение сопротивления переходного контакта
Rк min = (ρS/ρк)1/2/b. |
(2.3.10) |
Значение Rк отличается от Rк min на 10% при ψlк = 1,5. Отсюда следует, что минимальная длина контактной области
lк ≥ 1,5ψ = 1,5(ρк/ρS)1/2. |
(2.3.11) |
Из (2.3.11) видно, что с увеличением удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки необходимая длина контактной области уменьшается.
Ф И З И Ч Е С К И Е Я В Л Е Н И Я И П Р О Ц Е С С Ы В П Л Е Н О Ч Н Ы Х С Т Р У К Т У РА Х |
223 |
При проектировании контактных площадок с резисторами минимальную длину контактной площадки определяют из (2.3.11) при условии, что
Rк min ≤ Rк доп = γ Rк R /2, а ширину контактной площадки выбирают с учетом обеспечения совмеще-
ния слоев (при фотолитографическом способе изготовления резисторов она равна ширине резистора).
Проектирование контактных площадок под выводы компонентов и корпуса осуществляют исходя из способа присоединения вывода с учетом конструктивно-технологических ограничений.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какие пленки называют тонкими?
2.Какими различают тонкие пленки в зависимости от рельефа поверхности и расстояния между отдельными доменами?
3.Какие физические эффекты в тонких пленках называют размерными?
4.Каков механизм проявления размерного эффекта в тонких пленках?
5.Запишите выражение для удельной проводимости тонкой пленки.
6.Запишите выражение для концентрации подвижных электронов, участвующих в обменных процессах между гранулами.
7.Запишите выражение для удельной проводимости тонкой пленки, имеющей гранулярную структуру.
8.Нарисуйте теоретические и экспериментальные кривые зависимости удельного сопротивления пленки от ее толщины и дайте их характеристику.
9.В чем сущность эффекта надбарьерной эмиссии электронов в контактирующей тонкопленочной системе?
10.Нарисуйте энергетическую диаграмму потенциальной энергии электрона на границе «металл — вакуум».
224 |
Р А З Д Е Л 2 |
11.Нарисуйте энергетическую диаграмму, соответствующую контакту «металл — диэлектрик».
12.Запишите выражение для плотности тока насыщения надбарьерной эмиссии из металлической пленки в диэлектрическую.
13. Нарисуйте потенциальный барьер по Шоттки
с учетом сил зеркального изображения.
14.Нарисуйте изменение потенциального барьера на границе «металл — вакуум» под влиянием электрического поля.
15.Запишите выражение для работы выхода электрона во внешнем электрическом поле.
16.Запишите выражения для плотности тока эмиссии по Шоттки с учетом сил зеркального изображения и обратного тока, а также при малом и высоком напряжении.
17.Нарисуйте энергетические диаграммы контакта «металл — полупроводник» n-типа.
18.Запишите пропорциональную зависимость для плотности тока надбарьерной эмиссии с учетом температуры.
19.Нарисуйте энергетические диаграммы системы «металл — диэлектрик (вакуум) — металл».
20.Каково квантово-механическое представление туннельного эффекта?
21.Запишите выражение для плотности туннельного тока при малых и больших напряжениях, а также при промежуточных значениях в виде двух составляющих.
22.Каковы допущения квантово-механического туннелирования электронов через потенциальный барьер?
23.Нарисуйте расположение уровней мелких и глубоких ловушек захвата внутри запрещенной зоны диэлектрика.
24.Нарисуйте энергетическую диаграмму контакта «металл — диэлектрик», содержащего мелкие и глубокие ловушки.
25.Напишите уравнение ВАХ (плотность тока) для системы «металл — диэлектрик — металл».
Ф И З И Ч Е С К И Е Я В Л Е Н И Я И П Р О Ц Е С С Ы В П Л Е Н О Ч Н Ы Х С Т Р У К Т У РА Х |
225 |
26.Напишите зависимость плотности тока, проходящего диэлектрическую пленку, от приложенного напряжения.
27.Перечислите типы металлических пленочных элементов.
28.Перечислите электрофизические параметры пленок некоторых элементов.
29.Перечислите свойства металлических резистивных пленок.
30.Запишите соотношения между толщиной пленки и длиной свободного пробега электронов.
31.Как изменяется поверхностное сопротивление тонкой металлической пленки после ее прогрева?
32.Как изменяется плотность металлических пленок от толщины?
33.Запишите выражения для сопротивления и массы пленки в зависимости от толщины.
34.Какова связь произведения плотности на удельное сопротивление в тонкой пленке?
35.Как изменяется температурный коэффициент сопротивления от удельного поверхностного сопротивления пленок?
36.Перечислите основные методы для получения тонких диэлектрических пленок.
37.В чем сущность методов получения тонких диэлектрических пленок?
38.Перечислите основные параметры тонких диэлектрических пленок.
39.Охарактеризуйте диэлектрические свойства тонких пленок.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.Щука, А. А. Электроника : учеб. пособие / под ред. проф. А. С. Сигова. — СПб. : БХВ-Петербург, 2005. — 800 с.
2.Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники : учеб. пособие для вузов. — 2-е изд. — М. : Лаборатория базовых знаний, 2003. — 448 с.
226 |
Р А З Д Е Л 2 |
3.Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника : учебник для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. — 3-е изд. — М. : Высш. шк., 2004. — 790 с.
4.Ефимов, И. Е. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность : учеб. пособие / И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. Я. Горбунов. — 2-е изд. — М. : Высш. шк., 1986.
5.Ефимов, И. Е. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника : учеб. пособие / И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. Я. Горбунов. — 2-е изд. — М. : Высш. шк., 1987. — 416 с.
6.Зи, С. Физика полупроводниковых приборов : в 2 кн. — М. : Мир, 1984.
7.Терехов, В. А. Задачник по электронным приборам. — 2-е изд. — М. : Энергоатомиздат, 1983.
8.Морозова, И. Г. Физика электронных приборов : учебник для вузов. — М. : Атомиздат, 1980.
9.Линч, П. Задачи по физической электронике / П. Линч, А. Николайдес ; под ред. проф. Г. В. Строцкого. — М. : Мир, 1975.
Р А З Д Е Л 3
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
3.1.КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Впромышленности используют большое число различных типов полупроводниковых приборов, которые
можно разделить на несколько основных групп:
1)полупроводниковые резисторы;
2)полупроводниковые диоды;
3)биполярные транзисторы;
4)полевые транзисторы;
5)тиристоры.
Полупроводниковые резисторы и диоды являются двухэлектродными приборами, биполярные и полевые транзисторы — трехэлектродными приборами. Тиристоры могут быть как двухэлектродными, так и трехэлектродными.
В полупроводниковых резисторах применяют изотропный (однородный) полупроводниковый материал, электрические свойства которого определяют электрические характеристики резистора. В полупроводниковых диодах используют полупроводники с различными типами электропроводности, образующие один p-n-переход. Электрические характеристики диода определяются
восновном электрическими свойствами p-n-перехода.
Вбиполярных транзисторах полупроводники с различными типами электропроводности образуют два p-n- перехода. Электрические характеристики биполярных транзисторов обусловлены электрическими свойствами этих p-n-переходов и существенно зависят от их взаимодействия. Полевые транзисторы основаны на полупровод-
228 |
Р А З Д Е Л 3 |
никах с различными типами электропроводности, которые образуют один p-n-переход. Но в отличие от диодов и биполярных транзисторов электрические характеристики полевых транзисторов зависят от взаимодействия изотропного полупроводникового канала с p-n-переходом.
В тиристорах применяют полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют три или более p-n-перехода. Основные электрические характеристики тиристоров определяются взаимодействием этих p-n-переходов.
3.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ
Полупроводниковым резистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения. В полупроводниковых резисторах применяют полупроводник, равномерно легированный примесями.
В зависимости от назначения резисторы подразделяются на две группы:
1)общего назначения (диапазоны номиналов 10 Ом — 10 МОм, номинальные мощности рассеивания 0,062– 100 Вт);
2)специального назначения, которые подразделяют-
ся на:
а) высокоомные резисторы (от десятков мегаом до сотен тераом, рабочее напряжение 100–400 В); б) высоковольтные (сопротивление до 1011 Ом,
рабочее напряжение единицы — десятки киловольт); в) высокочастотные (имеют малые собственные
емкости и индуктивности); г) прецизионные (повышенная точность — допуск
0,001–1%, стабильность, номиналы от 0,1 Ом до 10 МОм, номинальные мощности рассеивания до 2 Вт).
Переменные резисторы подразделяются на подстроечные и регулировочные.
Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы РА Б О Т Ы П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Р И Б О Р О В |
229 |
Подстроечные резисторы рассчитаны на проведение подстройки электрических режимов и имеют небольшую износоустойчивость (до 1000 циклов перемещения подвижной части), а регулировочные — для проведения многократных регулировок. Они отличаются большой износоустойчивостью (более 5000 циклов) и в зависимости от характера изменения их сопротивлений при перемещении подвижной части делятся на резисторы с линейной А и нелинейной функциональными характеристиками: логарифмической Б, обратно логарифмической В, характеристиками типа И, Е (рис. 3.1). Проводящий элемент резистора выполняют в виде пленки, осажденной на поверхность изоляционного основания; проволоки или микропроволоки; объемной конструкции.
В зависимости от материала, использованного для создания проводящего элемента, резисторы подразделяют на проволочные, непроволочные, металлофольговые
(проводящий элемент выполнен из фольги, нанесенной на непроводящие основания). У проволочных и металлофольговых резисторов в качестве материала проводящего элемента используют манганин и нихром.
Непроволочные резисторы можно подразделить на следующие группы:
1) углеродистые и бороуглеродистые (проводящий элемент — пленка пиролитического углерода или его соединений, осажденная на непроводящее основание);
а |
б |
Рис. 3.1
Функциональные характеристики переменных резисторов:
а — линейная (A), логарифмическая (Б), обратнологарифмическая (В); б — характеристики типа И, Е; αп и α — полный и текущий углы поворота подвижной части; Rп и R — полное и текущее значения сопротивления.