4 семестр (2 курс)лала / ЭП (Электронные приборы) / Техническая электроника 2000 (Ткаченко Ф.А

151

3.Ток утечки (темновой ток) на выходе Iут – ток на выходе оптопары при Iвх=0 и заданном значении и полярности Uвых.

4.Выходное остаточное напряжение (напряжение насыщения) Uост – значение напряжения на включенном фоторезисторе или фототиристоре в режиме насыщения.

5.Выходная емкость Свых – емкость на зажимах фотоприемника. Эффективность передачи электрических сигналов со входа на выход оп-

топары определяется следующими передаточными параметрами:

– коэффициентом передачи по току Ki – это отношение тока на выходе

Зависимость Iвых=f(Iвых) называется передаточной характеристикой и имеет нелинейный характер. Нелинейность передаточной характеристики определяется нелинейностью ВАХ излучательного диода и характеристикой фотоприемника. Так как тиристорная оптопара работает в ключевом режиме, то передаточная характеристика описывается входным током оптопары, при котором включается фототиристор. Различают минимальное значение входного тока, при котором происходит надежное отпирание фототиристора и максимально допустимый входной ток помехи Iпом макс, при котором фототиристор не включается.

Быстродействие оптопар характеризуется временем переключения tпер = tвкл + tвыкл. Время включения состоит из времени задержки при включе-

нии и времени нарастания: tвкл = tзд + tнар. Время задержки при включении

tзд – время от момента подачи импульса входного тока до момента нарастания

выходного тока до уровня 0,1Iвых макс. Время нарастания выходного тока tнар характеризуется временем нарастания выходного тока от уровня 0,1Iвых макc до

уровня 0,9Iвых макс. Время выключения оптопары определяется временем спада tсп и временем задержки tзд: tвыкл = tзд + tсп . Время задержки – это время с момента прекращения воздействия входного сигнала до момента уменьшения выходного тока до уровня 0,9Iвых макс. Время спада – время уменьшения выходного

тока от 0,9Iвых макс до уровня 0,1Iвых макс.

Параметрами изоляции оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение Uиз пик и статическое напряжение изоляции Uиз между входом и выходом; сопротивление изоляции Rиз; проходная емкость Спр и максимально допустимая скорость нарастания выходного напряжения.

152

7.16. Жидкокристаллические индикаторы

Жидкокристаллические индикаторы являются пассивными приборами. Равновесное термодинамическое состояние вещества, при котором оно обладает свойствами, присущими твердым кристаллам, а также текучестью, поверхностным натяжением и вязкостью, характерными для жидкостей, называют жидкокристаллическим (мезоморфным).

Работа жидкокристаллических индикаторов основана на использовании жидких кристаллов, открытых еще в прошлом веке и представляющих собой некоторые органические жидкости с упорядоченным расположением молекул, характерным для кристаллов. Жидкие кристаллы прозрачны для световых лучей, но под действием электрического поля напряженностью 2…5 кВ/см структура их нарушается, молекулы располагаются беспорядочно и жидкость становится непрозрачной.

Молекулы жидких кристаллов (ЖК) имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они относятся к диэлектрикам и имеют удельное сопротивление 106…1010 Ом·см, зависящее от наличия примесей.

Применяются три основных типа жидких кристаллов: смектические (текучие), нематические (собственно жидкие), холестерические. Смектические ЖК имеют сильно вытянутые линейные молекулы, расположенные параллельно длинным осям, и образуют слои равной толщины, расположенные один под другим. Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.

В нематических ЖК оси молекул также параллельны, но они не образуют слоев и размещены хаотично. Поэтому нематический ЖК мутный для проходящего и отраженного света. Под действием электрического или магнитного полей можно добиться оптической однородности среды и полного ее просветления.

Холестирические ЖК являются разновидностью смектических, у которых ориентация молекул меняется от слоя к слою. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) не генерируют оптического излучения, а модулируют его интенсивность за счет изменения его характеристик: амплитуды, фазы, длины волны, плоскости поляризации и направления распространения. В связи с этим ЖКИ являются пассивными приборами.

Принцип действия жидкокристаллических индикаторов основан на изменении оптических показателей (свойств) кристалла под действием электрического поля. Оптическими показателями являются: коэффициенты отражения, рассеивания, поглощения; показатель преломления; спектральное отражение или пропускание; оптические анизотропия, разность кода, активность. Для этих изменений требуются малые напряжения и низкая потребляемая мощность.

153

Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, а на поверхности вещества проявляется рисунок требуемой конфигурации.

Конструктивно ЖКИ выглядят очень просто, между двумя стеклянными пластинами помещается жидкий кристалл, а электроды наносятся на внутреннюю сторону пластин в виде тонких, почти не видных на стекле токопроводящих полосок.

На практике используются ЖКИ, работающие на просвет и отражение. Если ячейка работает на просвет, то электроды на обеих пластинах выполняются прозрачными (рис. 7.20,а). Если ЖКИ работает на отражение, то задний электрод выполняется непрозрачным (рис. 7.20,б) и должен быть зеркально отражающим.

При работе ЖКИ в условиях низкой освещенности искусственно создается подсветка. У ЖКИ, работающих на просвет, за задней пластиной размещают источник света, а у ЖКИ, работающих на отражение, источник света размещают сбоку или спереди.

На практике используются цифровые, буквенно-цифровые и ЖКИ в виде определенных символов. Они могут работать в диапазоне температур – 20…+55 °С, а их долговечность составляет десятки тысяч часов.

Жидкокристаллические индикаторы управляются переменным напряжением. При постоянном напряжении происходит перенос примесей на электроды, что снижает контрастность изображения, и возникают необратимые электрохимические процессы, резко снижающие срок службы. В связи с этим в паспортных данных индикаторов указывается допустимое значение постоянной составляющей напряжения (порядка 50…170 мВ) и напряжение управления.

154

Параметры ЖКИ

1. Контрастность или коэффициент контраста знака по отношению к фо-

ну

K = Lф − Lз 100% , Lф

где Lф, Lз – яркости фона и знака, причем значения К лежат в диапазоне

80…90 %.

2.Время реакции (время "включения") и время релаксации (время "выключения") пропорциональны вязкости жидкости, квадрату толщины ЖК и приблизительно обратно пропорциональны квадрату разности между приложенным и пороговым напряжением.

3.Пороговое напряжение – минимальное напряжение, соответствующее началу свечения ЖКИ.

4.Напряжение управления – переменное напряжение, подаваемое на электроды индикатора (2…10 В).

5.Ток управления – ток, потребляемый индикатором при нормальной контрастности (1…100 мкА).

6.Частота управляющего напряжения (30…1000 Гц).

7.Температурный диапазон работы (–20…+55 °С). Жидкокристаллические индикаторы обладают следующими достоинст-

вами: простотой конструкции, долговечностью, составляющей десятки тысяч часов, малой мощностью потребления энергии (5…50 мкВт/см2), высокой контрастностью, неизменяющейся при увеличении освещенности, совместимостью

смикросхемами управления, выполненными по МОП–технологии.

Кнедостаткам ЖКИ относятся: малый температурный диапазон (−20... +55°C) , непостоянство параметров во время работы и срока хранения,

необходимость подсветки для наблюдения в ночное время суток, низкое быстродействие, т.е. время появления или исчезновения знака, которое определяется временем перехода молекул ЖК из упорядоченного расположения в беспорядочное или обратно и составляет до 200 мс.

По виду отображаемой информации ЖКИ бывают: цифровые, буквенноцифровые, графические, мнемонические, шкальные. Цифровые и буквенноцифровые ЖКИ выполняются в виде сегментов или матриц, одноразрядные или многоразрядные. При небольшом числе элементов каждый из них имеет свой вывод для подключения источника питания.

Идея получения индикатора с цветными элементами отображения, цвет которых изменяется простым изменением питающего напряжения, на практике

155

труднореализуема, поскольку требует создания очень равномерного по толщине слоя ЖК и его однородной ориентации по всей площади индикатора. Изменение толщины слоя ЖК на десятые доли микрометра приводит к заметному изменению цвета. Такой индикатор при любом изменении внешних условий (температуры, давления, механических воздействий) неуправляемо меняет цвет, а при кодировании информации цветом теряет работоспособность.

156

ГЛАВА 8 ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

8.1. Пассивные элементы интегральных микросхем

Усложнение электронных устройств и систем, в которых количество дискретных элементов достигло десятков и сотен тысяч, вызвало снижение эксплуатационной надежности при одновременном увеличении габаритов и массы, росте потребления электрической энергии, стоимости. Эти недостатки устраняются с внедрением изделий микроэлектроники.

Микроэлектроника – это область науки и техники, занимающаяся физическими и техническими проблемами создания интегральных схем. Интегральная технология является наиболее важным технологическим приемом микроэлектроники и позволяет на одной пластине создавать группы элементов, схемно соединенных между собой. Функциональные узлы, выполненные по интегральной технологии, называют интегральными микросхемами.

Интегральная микросхема – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных компонентов (транзисторов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на общей подложке.

Наиболее распространенными пассивными элементами в полупроводниковых микросхемах являются резисторы. Слой полупроводника, изолированный от других элементов, может служить резистором интегральной микросхемы. Однако, ввиду низкого удельного сопротивления слоя полупроводника, резисторы занимают большую часть площади всей микросхемы. В связи с этим микросхемы проектируют с минимальным числом резисторов, а величина их сопротивления должна быть небольшой, менее 10 кОм. Так, к примеру, цифровые интегральные микросхемы содержат меньше резисторов, чем аналоговые схемы. А цифровые микросхемы на полевых транзисторах практически не имеют резисторов, их функции выполняют дополнительные транзисторы, работающие на крутом восходящем участке вольт-амперной характеристики.

Наряду с резисторами в гибридных интегральных микросхемах распространенными пассивными элементами являются пленочные конденсаторы. При этом пассивные элементы во многом определяют схемотехнические и эксплуатационные характеристики интегральных микросхем (ИМС). В низкочастотных микросхемах используются дискретные миниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности, а в аналоговых высокочастотных микросхемах – пленочные конденсаторы емкостью менее 100 пФ. Пленочные конденсаторы бывают как тонко-, так и толстопленочные и занимают большую площадь ИМС. В связи с этим в полупроводниковых интегральных микросхемах роль конденсаторов выполняют обратносмещенные p–n переходы и структуры металл- диэлектрик-полупроводник (МДП-конденсаторы).

157

Несмотря на ограничения на размеры или допуски абсолютных значений, пассивные элементы в интегральных схемах обладают некоторыми преимуществами монолитных структур, такими, как хорошая воспроизводимость по номинальной величине и температурной зависимости.

В зависимости от формы обрабатываемых электрических сигналов микросхемы бывают аналоговыми или цифровыми.

Параметром, определяющим уровень сложности микросхем, является степень интеграции, под которой понимается округленный до ближайшего целого числа коэффициент К, являющийся показателем десятичного логарифма от числа N содержащихся в микросхеме элементов и компонентов: K = lg N .

По уровню сложности цифровые микросхемы подразделяются на малые (МИС, К ≤ 1…2), средние (СИС, 2 ≤ К ≤ 3…4), большие (БИС, 3…4 ≤ К ≤ 5) и сверхбольшие (СБИС, K > 5).

Основные типы микросхем – пленочные и полупроводниковые. В пленочных микросхемах элементы и соединения выполнены в виде различных пленок (проводящие, резистивные и диэлектрические) на подложке из диэлектрика. В полупроводниковых микросхемах пассивные и активные элементы вместе с изолирующими и проводящими областями создаются на одной подложке кремния или другого полупроводника. Применяются еще и так называемые гибридные микросхемы, в которых органически сочетаются в одном корпусе пленочные конструкции из пассивных элементов с дискретными миниатюрными активными компонентами.

К пассивным компонентам ИС относятся резисторы, конденсаторы, индуктивности и внутрисхемные соединения.

8.1.1.Резисторы

ВИМС применяются пленочные, диффузионные резисторы и резисторы на основе МДП-структур.

Сопротивление бруска из однородного проводящего кристаллического материала определяется выражением

где ρ – удельное сопротивление резистивного материала, величина обратная удельной проводимости

l, b, d – длина, ширина и толщина резистивной пленки.

Для изготовления пленочных резисторов используются различные материалы: металлы, сплавы, смеси металлов с диэлектриком (керметы), удовлетворяющие требованиям по металлургической совместимости, адгезии, технологичности и стабильности. Каждый материал характеризуется определенной

158

толщиной, для которой удельное сопротивление материала является оптимальным ρs = ρd .

Этот параметр ρs называют поверхностным сопротивлением, которое имеет размерность Ом, но часто выражается в Омах на квадрат (Ом/см2). А сопротивление резистора

Резисторы в тонкопленочных ИС представляют собой или полоску, или пленку определенной конфигурации, нанесенную между двумя контактами на изолирующей подложке. На рис. 8.1,а,б показаны конфигурации пленочных резисторов.

Используя поверхностное сопротивление ρs в качестве параметра резистивной пленки, можно изготавливать резисторы с различными сопротивлениями, используя один и тот же материал, изменяя только отношение l/b. Для прямоугольных резисторов максимальная длина по технологическим сообра-

жениям ограничена величиной Kф = lb =10 . Для реализации резисторов с

Kф>10 используют зигзагообразную конфигурацию рис. 8.1,б, при этом площадь платы, занимаемая резистором, уменьшается. Сопротивление пленочного резистора может достигать значений порядка 10 МОм. После нанесения резистивной пленки обычно производится подгонка резистора под номинал, что позволяет получить прецизионные и стабильные резисторы.

В монолитных ИМС используются диффузионные резисторы, изготавливаемые одновременно с транзисторами в одном технологическом процессе и на той же подложке. Диффузионные резисторы изготавливаются на диффузионных слоях базовой и эмиттерной областей транзисторной структуры

(рис. 8.1,в).

159

Эмиттерная область содержит наибольшую концентрацию примеси и имеет наименьшее удельное сопротивление. Эмиттерная область служит для создания резисторов с малым сопротивлением до 10 Ом и малым температурным коэффициентом сопротивления: ТКС = 0,01 %/°С.

Коллекторная область транзистора содержит наименьшую концентрацию примеси и обладает большим сопротивлением. Из-за малой концентрации примеси температурный коэффициент сопротивления у этих резисторов очень велик.

На практике в качестве диффузионного резистора используется базовая область транзисторной структуры, сопротивление которой может достигать

50 кОм с ТКС = 0,1…0,3 %/°С.

Для получения резисторов с большими номиналами сопротивлений используются так называемые пинч-резисторы (сжатый резистор), которые изготавливаются в процессе базовой диффузии в виде резистивных слоев. Пинчрезистор имеет меньшую площадь сечения, ограниченную p–n переходом, образованного путем эмиттерной диффузии на поверхности резистивного слоя. Это позволяет увеличивать поверхностное сопротивление и изготавливать резисторы большого номинала на малой площади.

Эквивалентная схема диффузионного резистора (рис. 8.1,г) достаточно сложная и содержит следующие основные и паразитные элементы:

R1 – сопротивление проводящего слоя резистора; R2 – сопротивление токам утечки n–области; R3 –сопротивление контактов и подводящих электродов (порядка 10 Ом); R4 – сопротивление токам утечки подложки; C1 – емкость верхнего p–n перехода; C2 – емкость нижнего p–n перехода; T – паразитный транзистор, у которого коллекторный переход образован подложкой и эпитаксиальной пленкой, а эмиттерный – слоем резистора и эпитаксиальной пленкой. Величины емкостей C1 и C2 невелики и оказывают влияние на высоких частотах. Для каждого резистора имеется своя частота, выше которой начинается резкое уменьшение сопротивления. На практике она составляет около 10 ГГц.

В микросхемах на МДП-транзисторах в качестве резисторов в виде нагрузочного сопротивления используются транзисторы, работающие на квазилинейном участке ВАХ. Сопротивление нагрузочного резистора зависит от смещения на затворе и от разности потенциалов между истоком и подложкой. При изменении потенциала истока происходит модуляция проводимости канала под действием нижнего затвора, что приводит к изменению сопротивления нагрузочного резистора.

Диффузионные резисторы характеризуются, как и другие резистивные элементы, следующими параметрами: диапазоном номинальных значений сопротивлений, допуском по сопротивлению, температурным коэффициентом сопротивления, допустимой мощностью рассеяния и максимальным напряжением.

Из рассмотренного видно, что имеются возможности создавать резисторы больших номиналов. Однако в ИС для уменьшения габаритных размеров

160

стремятся использовать минимальное число резисторов с максимальными номиналами.

8.1.2. Конденсаторы

В интегральных полупроводниковых схемах обычно применяют конденсаторы на основе p–n переходов и на основе структуры металл–диэлектрик– полупроводник. В интегральных схемах, использующих биполярные транзисторы, роль конденсаторов выполняют p–n переходы. При формировании p– n переходов используется диффузия, поэтому конденсаторы на их основе называют диффузионными. Структура такого конденсатора показана на рис. 8.2, цифрами 1 и 2 обозначены омические контакты. Принцип работы диффузионных конденсаторов основан на использовании барьерной емкости обратносме-

барьерную емкость C0 имеет переход эмиттер-база. Однако он обладает низким пробивным напряжением

барьерная емкость коллекторного перехода; C2 – паразитная емкость изолирующего перехода коллектор–подложка. Она имеет ограниченное применение, так как вывод подложки является общим для всей ИС и заземлен по переменной составляющей тока. Конденсатор C2 однако является неотъемлемой частью интегральной схемы, так как он всегда имеется при изоляции элементов схемы p– n переходом. Диоды D1 и D2 образуют емкости C1 и C2. R1 – сопротивление, характеризующее неидеальность диэлектрика и наличие объемного

сопротивления у p–слоя.

Для эффективного использования конденсатора, т.е. для получения максимального коэффициента передачи