Предельные значения напряжения и тока для полевых транзисторов.

 

Как и для других элементов, предельно допустимые значения тока и напряжения для полевых транзисторов определяется их способностью рассеивать поглощаемую электрическую мощность и условием пробоев.

Для максимальной рассеиваемой мощности имеем:

 

 

Предельно допустимые величины напряжений обычно определяются приложенным к затвору запирающим напряжением для транзистора с p-n-переходом или напряжения пробоя тонкого слоя диэлектрика для МОП-транзистора. Резкое возрастание тока стока при увеличении Uси свидетельствует о наступлении пробоя. В МОП-транзисторе пробой обычно приводит к необратимому разрушению диэлектрического слоя. Величина предельно допустимого напряжения указывается в паспорте прибора. МОП-транзисторы являются в основном приборами с ограниченным током, максимально допустимая величина которого обычно ограничивается способностью прибора рассеивать поглощаемую электрическую мощность. Тем не менее, в режиме обогащения большое напряжение на затворе может вызвать достаточно большой ток, который способен расплавить внутренние контактные проволочки. Поэтому в паспорте транзистора указывается величина максимально допустимого тока стока. Описанные величины представлены на рис. 1.6.10.

рис. 1.6.10. Графическое представление области допустимых положений рабочей точки.

 

Заштрихованная часть первого квадранта соответствует области безопасной работы полевого транзистора.

Вследствие очень большого входного сопротивления МОП-транзистор может выйти из строя из-за накопления чрезмерного статического заряда. Чтобы избежать этого, выводы транзистора, если он не включен в схему, должны быть соединены вместе, прибор следует держать за корпус, а не за выводы и не вставлять прибор в цепь при включенном питании.

 

Модель полевого транзистора.

 

Если для биполярного транзистора можно построить кусочно-линейную модель, которую можно использовать для определения положения рабочей точки, то для полевого транзистора такую модель построить нельзя. Положение рабочей точки в данном случае определяют с помощью графических или аналитических методов.

После того, как рабочая точка найдена, можно построить низко частотную модель полевого транзистора. Она будет иметь вид, представленный на рис. 1.6.11:

рис. 1.6.11. Схема низкочастотной модели полевого транзистора.

 

На этой модели цепь сток-исток представлена в виде эквивалентного генератора тока, что справедливо в области усиления, где выходные характеристики горизонтальны. Для описания этой модели необходимо знать g– называемый крутизной характеристики полевого транзистора и rзи - активная составляющая входного сопротивления. Крутизна характеризует зависимость тока выходного сигнала от напряжения входного сигнала и является основной характеристикой для всех видов полевых транзисторов и, как правило, приводится в паспорте транзистора. Практически крутизну можно найти из выходных характеристик транзистора, если в окрестности рабочей точки определять величину приращения iс при изменении Uзи на 1 В. Типичные значения крутизны 0,5 – 5 МА/В. Что касается rзи, то здесь можно сказать следующее. Т.к. в МОП-транзисторах затвор отделен от канала диэлектриком, а в полевых транзисторах с p-n-переходом, переход смещен в обратном направлении, то входные токи измеряются единицами наноампер, а типовые значения активной составляющей входного сопротивления лежат выше 10 МОм.

Описанная модель применима при низких частотах входного сигнала. При рассмотрении работы полевых транзисторов в высокочастотной области необходимо пользоваться моделью полевого транзистора, содержащей энергоемкие элементы. Как следует из структуры полевого  транзистора между затвором и каналом существует емкостная связь: через конденсатор, заполненный диэлектриком, в МОП-транзисторах или через емкость смещенного в обратном направлении p-n-перехода в полевом транзисторе с p-n-переходом. Полевые транзисторы обоих типов могут быть представлены моделью, содержащей конденсаторы (рис.1.6.12).

рис. 1.6.12. Высокочастотная модель полевого транзистора.

 

Значения емкостей в схеме на этом рисунке невелики – порядка нескольких пикофарад. Однако во многих практических применениях, когда полевые транзисторы включаются вместе с источниками с большим внутренним сопротивлением, результирующая постоянная времени может серьезно ограничивать быстродействие схемы на высоких частотах.

Лекция № 9. Интегральные микросхемы.

 

План лекции.

 

1.     Основные определения и классификация интегральных схем (ИС);

2.     Пленочные ИС;

3.     Полупроводниковые ИС.

 

Интегральной микросхемой (ИС) называют микросхему, часть компонентов которой нераздельно связана и электрически соединена между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.

Микросхему, состоящую из однотипных элементов, которые имеют отдельное конструктивное оформление и могут быть испытаны до сборки и монтажа (диодов, транзисторов, резисторов и т.д.) называют сборкой.

Функциональную сложность любой ИС принято характеризовать степенью интеграции – количеством элементов и компонентов N в ИС. Если , схему называют простой, если – средней ИС, при – большой ИС (БИС), а при N > 1000 – сверхбольшой ИС (СБИС).

В настоящее время применяют два вида интегральных микросхем: пленочные и полупроводниковые.

ПЛЕНОЧНЫЕ ИС – это микросхемы, элементы которых выполнены в виде пленок нанесенных на диэлектрическую подложку. В зависимости от нанесения пленок такие ИС подразделяются на толстопленочные (толщиной 10-20 мкм) и тонкопленочные (толщиной 1-2 мкм).

Поскольку до сих пор не удалось создать пленочные транзисторы, пленочные ИС содержат только пассивные элементы, а в качестве активных применяют диоды и транзисторы, которые подпаивают к пленочной ИС. Такую микросхему называют гибридной, а входящие в нее дискретные компоненты – навесными.

Толстопленочные ИС изготавливают следующим образом. На диэлектрическую пластинку (подложку) размером в несколько квадратных сантиметров через трафареты (маски) наносят пасты различного состава. Проводящие пасты образуют соединения между элементами ИС, обкладки конденсаторов, выводы ИС; резистивные пасты – проводящий слой резисторов; диэлектрические пасты – пространство между обкладками конденсаторов. При нанесении каждого слоя пасты применяют свой трафарет, в котором имеются окна в тех местах, куда должна попасть паста данного слоя. После того как паста затвердевает, на заранее отведенные места приклеивают навесные компоненты и соединяют их выводы со специальными контактными площадками.

К достоинствам толстопленочных схем следует отнести сравни тельную простоту их изготовления и относительно низкую стоимость. Основной недостаток - невозможность получения малых допусков на сопротивления резисторов и емкости конденсаторов (из-за механического способа нанесения пленок).

Тонкопленочные ИС изготавливают по более сложной технологии, в основе которой лежит осаждение пленки на подложку из газовой фазы. Это делают на специальных вакуумных установках, когда на диэлектрическую подложку напыляют пленки из различного материала также через специальные маски. Основным достоинством тонкопленочных ИС является возможность получения пленок с малым разбросом основных параметров, недостаток –  сложность изготовления. В тонкопленочных ИС резисторы могут иметь сопротивления, измеряющиеся от единиц Ом до единиц МОм с допуском около 5%. Максимальная емкость тонкопленочных конденсаторов достигает нескольких тысяч пикофарад.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИС – это микросхемы, элементы которых созданы в приповерхностном слое полупроводникового кристалла. Они составляют основную часть ИС, выпускаемую отечественной промышленностью.

Полупроводниковые ИС изготавливаются по планарно-эпитаксиальной технологии. На поверхности шлифованной кремниевой пластины (подложки) наращивают тонкий слой полупроводника с проводимостью, отличной от проводимости подложки. Этот слой называют ЭПИТАКСИАЛЬНЫМ. В Современных ИС обычно используют подложку р-типа, а эпитаксиальный слой является полупроводником n-типа. Далее на поверхности пластинки создают защитную пленку двуокиси кремния, путем окисления ее при высокой температуре. Затем формируют полупроводниковые области с разными типами электропроводности и разной электрической проводимостью. Для этого используют фотолитографию, травление и диффузию. Сначала поверхность эпитаксиального слоя  покрывают специальными светочувствительными полимером-фоторезистом. Затем на фоторезист проецируют рисунок, соответствующий в каждом конкретном случае конфигурациям областей определенного типа. После проявления на фоторезисте образуются "окна" (где окисная пленка не закрыта фоторезистом), через которые проводят травление защитной пленки, а затем осуществляют диффузию в эпитаксиальный слой, либо р- либо n-примесей.

Проводя последовательно несколько циклов окисления, фотолитографирования, травления и диффузии, образуют в эпитаксиальном слое все компоненты ИС – активные и пассивные. Соединения между компонентами ИС создают с помощью напыления на кремниевую пластинку проводникового материала (алюминия), который затем подвергается фотолитографическому травлению. Изоляция между отдельными компонентами ИС проводится с помощью как закрытых p-n-переходов, так и окисной пленки.

Планарно-эпитаксиальная технология позволяет формировать и биполярные транзисторы n-p-n и p-n-p типов, и униполярные. В качестве диодов в ИС обычно используют p-n-переходы транзисторов. Роль резисторов играют участки полупроводниковой пластинки со строго дозированным количеством примесей. В качестве конденсаторов используют закрытые p-n-переходы.

Характерной особенностью полупроводниковых ИС является то, что в них нельзя создать катушки индуктивности и тем более трансформаторы. Если они необходимы, приходится применять дискретные элементы. Для защиты микросхем от внешних воздействий их помещают в герметизированные корпуса. Все корпуса стандартизованы.

Для того чтобы отличить микросхемы, их корпуса маркируют. Условные обозначения микросхем состоят из четырех элементов.

Первый элемент (3 цифры) указывает номер серии, первая цифра обозначает конструктивно-технологическое исполнение (1,5 – полупроводниковые; 2, 4, 8 – гибридные, 3 – пленочные, 7 – бескорпусные), а вторая и третья – порядковый номер разработки серий.

Второй элемент (2 буквы) отражает функциональное назначение микросхемы (например, УД – операционные усилители; ЕН – стабилизаторы напряжения и т.д.).

Третий элемент (цифра) соответствует порядковому номеру одноименных по функциональному признаку микросхем данной серии.

Четвертый элемент (буква) обозначает различные группы микросхем данного типа. Перед условным обозначением микросхем бытовой аппаратуры ставится буква К.