aaaГОСЫ / Бабушкина01

Исторический аспект развития электронной техники

1 Развитие электронной техники

Предметом изучения является:

Конструирование микросхем

Разработка технологической части

Электроника – наука о формировании и управлении потоками электронов, устройств приема, хранения и обработки информации.

Начало 60-х годов – появление микроэлектроники Основные элементы – ИМС, МП, МСб

Условно можно разбить всю историю электроники на 5 этапов:

1 - Конец 19 века. 1895 – изобретение радиоприемника Поповым. Устройство было предназначено для передачи и приема сигналов. Содержали пассивные элементы (конденсаторы, резисторы).

2 - эра электронных ламп – начало 20-го века.

1906 – Форестом изобретен триод, который был первым активным элементом,

позволяющем не только передавать, но и принимать электрический сигнал, но

преобразовывать и усиливать.

Столетов изобрел электронную трубку.

1923 – это изобретение продолжил его ученик Зворыкин. Изобретен иконоскоп.

1924 – изобретен кинескоп.

1921 – Бонч – Бруевичем изобретена мощная генераторная лампа для радиопередатчиков, которая использована в системах дальней связи.

Первые ЭВМ содержат 5-6 тысяч электронных ламп. Надежность низкая, т.к. через 50 часов выходит из строя. Большая масса и габариты.

3 - 1948 – изобретение Шокли и Брадина транзистора. Он усиливает,

генерирует и преобразует электронный сигнал. Первый транзистор имел точечноконтактные переходы.

Недостатки:

Точечно-контактные переходы были не стабильны

С плохо воспроизводимыми характеристиками

Низкая механическая прочность

1949 – 1950 – изобретение сплавных транзисторов

Классификация микросхем

ИМС – это конструктивно законченное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически

связанных между собой электро радио элементов, изготовленных в едином технологическом цикле.

1)По конструктивно технологическому признаку все микросхемы делят на:

Полупроводниковые

Пленочные

гибридные

Полупроводниковые ИМС – такие микросхемы, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности

полупроводниковых пластин Пленочные ИМС – все элементы и соединения между ними выполнены в виде

пленок

В зависимости от нанесения пленок, бывают:

тонкопленочные (до 1 мкм)

толстопленочные (до 10 – 70 мкм)

Гибридные – пассивные элементы и соединения выполнены в виде пленок, а активные элементы – в виде навесного монтажа на поверхности.

2)По функциональному назначению

Цифровые

Аналоговые

Если микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, такая микросхема называется

цифровой или логической.

Если микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, такая микросхема называется аналоговой или линейной.

3)По степени интеграции (сложности)

Показателем степени сложности или интеграции K, определяется

K lg N

N – количество элементов, K определяется до ближайшего целого числа.

4)По применяемости в аппаратуре

Широкого применения

Частного применения – микросхемы, предназначенные для использования в конкретной аппаратуре и изготавливаемые на предприятии, его изготавливающей.

3 Обозначение микросхем

5 основных элементов:

1) Цифра, которая показывает на группу, к которой принадлежит микросхема 1, 5, 7 – полупроводниковая технология

2, 4, 6, 8 – пленочная технология

3 – прочие микросхемы

2)3 цифры от 000 до 999 (в старом обозначении 00 ÷ 99) указывают на порядковый номер разработки серии ИМС

3)2 буквы, которые указывают на функциональное назначение ИМС

УН – усилитель НЧ

ЛИ – логический элемент ВМ – микропроцессор и т.д.

4) Цифра, которая указывает на условный номер разработки ИМС по

функциональному признаку в данной серии (1 ÷ 9). Иногда применяют и буквенное обозначение А, Б, В, которые характеризуют отличие ИМС одного вида по

электрическим характеристикам (по напряжению, току, частоте). Иногда буква заменяется цветной точкой.

Пример: 133ЛА1 – 1 – полупроводниковая технология, 133 – серия, ЛА – логический элемент, 1 – порядковый номер разработки в данной серии.

Для ИМС, которые используются в устройствах широкого применения в начале

Для бескорпусных ИМС в состав обозначения добавлено 2 элемента:

Б в начале обозначения (Б – бескорпусная ИМС)

Б106ЛБ1А – 1 - 1 – цифра в диапазоне 1 ÷ 6, через тире, характеризует конструктивное

исполнение бескорпусных ИМС 1 – микросхема с гибкими выводами

2– ленточные (паучковые) выводы

3– микросхемы с жесткими выводами (шариковые, столбиковые и балочные выводы)

4– выводы выполнены на общей подложке или пластине, не разделенные друг

от друга

5– на общей подложке, разделенные друг от друга без потери ориентации

6– кристаллы с контактными площадками без выводов

106 – серия, полупроводниковая технология ЛБ – логический элемент И-НЕ, ИЛИ-НЕ 1 – номер разработки в данной серии

А – отличие по электрическим параметрам (по напряжению)

Если перед цифровым обозначением стоят буквы ОС – микросхема повышенного качества, ОСМ – микросхема повышенного качества при их малом

выпуске.

Для микросхем, поставляемых на экспорт, в начале обозначения выставляется

буква Э.

Конструкции элементов полупроводниковых микросхем на биполярных транзисторах

Основным элементом при разработке схемы является БТ. Он выполняет функцию преобразования электрического сигнала. Основные носители БТ –

электроны и дырки.

Движение носителей вызвано двумя причинами:

Наличие градиента концентрации - диффузия носителей

Наличие градиента электрического потенциала – дрейф носителей в

электрическом поле.

Если действуют обе причины, то полный ток состоит из диффузионной и

дрейфовой составляющих.

В полупроводнике могут быть введены неосновные носители. Процесс введения неосновных носителей называется инжекцией.

Транзистор n-p-n типа

Эмиттер – полупроводниковая область, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу.

База – полупроводниковая область, в которой инжектируются эмиттером

неосновные для этой области носители заряда.

Коллектор – полупроводниковая область, назначением которой являются экстракция носителей заряда из базы.

2 p-n перехода: эмиттер-база (эмиттерный), база-коллектор (коллекторный). БТ, выполненный по планарно-эпитаксиальной технологии

n+

Р– Si

Рабочая область

У транзистора имеется активная или рабочая часть, которая находится в зонной

части эмиттерной области.

Остальные области – пассивные или паразитные, их наличие обусловлено

конструктивными особенностями.

Схема с общей базой. Транзистор работает в активном режиме (идет

нормальное включение транзистора) – на эмиттер подаем прямое напряжение (-), а на коллектор – обратное напряжение (+).

ω

Электроны из области эмиттера инжектируются в базу, проходят через нее

почти без потерь, потери электронов на рекомбинацию не велики, т.к. ширина базы мала (ω < 1 мкм, теоретически 0,03 ÷ 0,05 мкм) и попадают в область коллектора,

который находится под положительным потенциалом.

Коллектор собирает электроны, поступившие из эмиттера в базу, увеличивая

ток коллектора.

Так как переход работает при обратном направлении, в

*****************************, возникают объемные положительные заряды, между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т.е. втягивает электроны в область коллектора.

В нормальном включении токи коллектора и эмиттера почти одинаковы с

точностью до незначительного тока базы

IЭ IK IБ

Ток базы компенсирует убыль основных носителей (дырок) из области базы в область эмиттера и за инфекцией (дырки идут из базы в эмиттер).

Сопротивление обратно смещенного коллекторного p-n перехода весьма велико и составляет несколько МОм, поэтому в цепь коллектора могут включаться большие сопротивления нагрузки, не меняя при этом величину коллекторного тока.

При этом в цепи нагрузки выделяется значительная мощность. Сопротивление

эмиттерного перехода мало и составляет от 1 до десятков Ом, поэтому при почти

одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера намного меньше, чем

мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор обеспечивает усиление мощности, т.е. он является усилительным прибором.

Схемы с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой дают усиление

по мощности.

При инверсном включении на коллекторе «-», на эмиттере «+».

Режим насыщения – оба перехода открыты, режим отсечки – оба перехода

закрыты.

Диод Шотки

– переход Ме-п/п. Его работа зависит от работы выхода электронов.

Чем меньше работа выхода электронов, тем больше эл-нов может выйти из данного тела.

1)структура с охранным кольцом

2)стр-ра с диэлектрическими прокладками.

Работа ДШ: прямое внешнее напряжение прикладыватся + к Ме и действует в высокоомной пленке. Эл-ны в ней разгоняются, преодолевают потенциальный барьер и попадают в Ме.

f ~ 20 ГГц

Для предотвращения пробоя принято:

1)формирование по переферии контакта сильнолегированной области р+

2)формирование тонкой прокладки из оксида кремния.