Классификация и конструкция и расчет линейных резисторов.

Классификация и конструкция и расчет линейных резисторов.

Резисторы являются элементами РЭА и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Они предназначены для перераспределения и регулирования электрической энергии между элементами схемы. Принцип действия резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему через них электрическому току. Особенностью резисторов является то, что электрическая энергия в них превращается в тепло, которое рассеивается в окружающую среду. По назначению дискретные резисторы делятся на резисторы общего назначения, прецизионные, высокочастотные, высоковольтные и высокоомные.

По постоянству значения сопротивления резисторы подразделяются на постоянные, переменные и специальные. Постоянные резисторы имеют фиксированную величину сопротивления, у переменных резисторов предусмотрена возможность изменения сопротивления в процессе эксплуатации, сопротивление специальных резисторов изменяется под действием внешних факторов: протекающего тока или приложенного напряжения (варисторы), температуры (терморезисторы), освещения (фоторезисторы) и т.д.

По виду токопроводящего элемента резисторы делятся на проволочные и непроволочные. По эксплуатационным характеристикам дискретные резисторы делятся на термостойкие, влагостойкие, вибро- и ударопрочные, высоконадежные и т.д.

Резисторы гибридных ИМС изготавливаются в виде резистивных пленок, наносимых на поверхность подложки. Эти резисторы могут быть тонкопленочными (толщина пленки порядка 1 мкм) и толстопленочными (толщина пленки порядка 20 мкм). Резисторы полупроводниковых ИМС представляют собой тонкую (толщиной 2-3 мкм) локальную область полупроводника, изолированную от подложки и защищенную слоем SiO ₂.

Основным элементом конструкции постоянного резистора является резистивный элемент, который может быть либо пленочным, либо объемным. Величина объемного сопротивления материала определяется количеством свободных носителей заряда в материале, температурой, напряженностью поля и т.д. и определяется известным соотношением. где r - удельное электрическое сопротивление материала,

l - длина резистивного слоя, s - площадь поперечного сечения резистивного слоя.

В чистых металлах всегда имеется большое количество свободных электронов, поэтому они имеют малую величину r и для изготовления резисторов не применяются. Для изготовления проволочных резисторов применяют сплавы никеля, хрома и т.д., имеющие большую величину r.

Для расчета сопротивления тонких пленок пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления r_s, под которым понимается сопротивление тонкой пленки, имеющей в плане форму квадрата. Величина r_s связана с величиной r и легко может быть получена из 2.1, если принять в ней s = d w, где w - ширина резистивной пленки, d - толщина резистивной пленки.

Тогда где - удельное поверхностное сопротивление, зависящее от толщины пленки d и имеющее размерность Ом/ _(Ом/квадрат). Если l = w, то R= r_s, причем величина сопротивления не зависит от размеров сторон

1 резистивная пленка 2. На торцы цилиндра надеты контактные колпачки 3 из проводящего материала с припаянными к ним выводами 4. Для защиты резистивной пленки от воздействия внешних факторов резистор покрывают защитной пленкой 5

Свойства конденсатора

Частотные свойства. Емкость конденсатора зависит от частоты приложенного переменного напряжения. При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров – собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур образуемый ёмкостью С, собственной индуктивностью L_c и сопротивлением потерь R_п. Резонанс этого контура наступает на частоте при конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах , на которых его сопротивление носит емкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2..3 раза ниже резонансной.
Характер частотной зависимости действующей ёмкости конденсатора (с учётом влияния параметров L_c и R_п ) в диапазоне частот от нуля до обуславливается соотношением параметров С, L_c и R_п. В большинстве случаев С_д уменьшается с ростом частоты во всём указанном диапазоне частот. Однако вблизи резонансной частоты она всегда уменьшается и стремится к нулю.
Допускаемая амплитуда переменного напряжения на конденсаторе. U_{т доп} – амплитуда переменного напряжения, при которой потери энергии в конденсаторе не превышают допустимых. Значения U_{т доп} определяются по формуле

Где P_{р доп} допустимая реактивная мощность, B*A;

U — переменное напряжение на конденсаторе; — круговая частота; С — емкость конденсатора, Ф; f — частота переменного напряжения на конденсаторе, Гц. На рис. представлена зависимость некоторых параметров конденсатора, в частности зависимость напряжения UTдоп от частоты, построенная при фиксированных значениях температуры и допустимой мощности потерь Ра доп. Граничная частота определяется допустимым снижением действующей емкости Сд. На рисунке обозначены области режимов работы конденсаторов: 1 — рабочих; 2 — теплового пробоя; 3 — повышенной вероятности электрического пробоя; 4 — электрического пробоя; 5 — пониженных значений Сд; 6 — индуктивного характера сопротивления конденсатора.
Превышение Uтдоп может вызвать тепловой пробой диэлектрика и другие нежелательные явления.

 

Характеристики подложек.

Подложки служат диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов и теплоотводом. Для обеспечения заданных электрических параметров микросхем материал подложки должен обладать:

-высоким коэфф-ом теплопроводности для эффективной передачи тепла от тепловыделяющих элементов (резисторов, диодов, транзисторов) к корпусу;

-высокой механической прочностью, обеспечивающей целостность подложки с нанесенными элементами как в процессе изготовления микросхемы (разделение на платы, термокомпрессия, пайка, установка платы в корпус и т. д.), так и при ее эксплуатации в условиях термоциклирования, термоударов и механических воздействий;

-высокой хим. инертностью к осаждаемым материалам для снижения временной нестабильности параметров пленочных элементов, обусловленной физ.-хим. процессами на границе раздела пленка—подложка и проникновением ионов из подложки в пленку;

-стойкостью к воздействию высокой температуры в процессах формирования элементов и установки навесных компонентов;

-стойкостью к воздействию хим. реактивов в процессе подготовки поверхности подложки перед нанесением пленок, при электрохим. обработках и хим. осаждении пленок;

-способностью к хорошей механической обработке (полировке, резке).

Материалы подложки и нанесенных на нее пленок должны иметь незначительно различающиеся ТКЛР (температурн. коэф. линейн. расширения) для обеспечения достаточно малых механических напряжений в пленках, вызывающих их отслаивание и растрескивание при охлаждении подложки после нанесения пленочных элементов.

Структура материала подложки и состояние ее поверхности оказывают существенное влияние на структуру пленок и хар-ки пленочных элементов. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, так как при наличии микронеровностей толщина резистивных и диэлектрических пленок становится неравномерной. При толщине пленок около 100 нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм. Толстые пленки имеют толщину 10...50 мкм, поэтому подложки для толстопленочных микросхем могут иметь микронеровности до 1...2 мкм.

Если требуется обеспечить хороший теплоотвод, высокую механическую прочность и жесткость конструкции, то применяют металлические подложки: алюминиевые, покрытые слоем диэлектрика или эмалированные стальные.

Габаритные размеры подложек стандартизованы (60X48 мкм). Обычно на стандартной подложке групповым методом изготавливают несколько гибридных микросхем. Деление подложки на части, кратные двум и трем, дает ряд типоразмеров плат, соответствующих размерам посадочных мест в стандартных корпусах для гибридных микросхем. Платой называется часть подложки с расположенными на ее поверхности пленочными элементами одной ГИС (гибридной микросхемы). Толщина подложек составляет 0,35...0,5 мм. Размеры подложек имеют только минусовые допуски в пределах (0,1...0,3 мм).

 

Распределение примесей

Закон распределения примеси как функция координаты х и времени t может быть получен путем решения второго уравнения Фика при определенных условиях проведения процесса.

Второй закон Фика: – характеризует скорость накопления примеси в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии.

Если диффузия осуществляется из неограниченного источника примесей, когда концентрация примеси на поверхности полупроводника сохраняется постоянной, решение второго уравнения Фика имеет вид:

Здесь erfc – символ, обозначающий дополнение функции ошибок до единицы.

Данная формула описывает распределение концентрации примесей в зависимости от глубины x и времени t (рисунок а).

 

 

Если диффузия осуществляется из ограниченного источника примеси, когда общее количество диффундирующих атомов сохраняется постоянным, решение второго уравнения Фика имеет вид: .

Здесь Q – общее количество примеси, не изменяющееся с течением времени.

Данное уравнение представляет собой функцию распределения Гаусса, оно позволяет определить распределение N(х) в различные моменты времени (рисунок б). В этом случае с течением времени концентрация примеси на поверхности уменьшается, а площади под графиками N(x) остаются неизменными.

Для получения распределения, соответствующего рисунку б, предварительно на поверхности кремния создают слой источника примесей. Эта операция называется загонкой примеси. После этого пластины кремния загружают в кварцевую печь, где происходит диффузия примеси в подложку. Эта операция называется разгонкой примеси.

ДОПОЛНЕНИЕ: Диффузия представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации. Основной механизм проникновения примесного атома в кристаллическую решетку состоит в последовательном перемещении по вакансиям (пустым узлам) решетки. Число атомов вещества I(x), переносимых в единицу времени через единичную площадь в направлении x, перпендикулярном поверхности подложки, характеризуется первым законом Фика: , где D – коэфф-т диффузии примеси; – градиент концентрации примеси.

 

Металлизация

Металлизация – процесс создания внутрисхемных соединений. Планарные технологии внутриструктурные соединения выполняют с помощью тонких металлических пленок, наносящихся на слой SiO₂ (оксида кремния). Так как эти пленки используются в качестве проводников внутрисхемной коммутации, то они должны обеспечивать невыпрямляющий контакт с п/п и иметь хорошую адгезию к Si и SiO₂, низкое удельное сопротивление, и давать возможность присоединения выводам МС.

В кремниевых ИМС для создания металлизации наибольшее применение нашел Al, т.к. он обладает положительными свойствами: *позволяет изготовить структуры с металлизацией одним металлом; *имеет высокую проводимость близкую к проводимости объемного материала и хорошую адгезию к Si и SiO₂; *испаряется в вакууме; *пленки алюминия хорошо обрабатываются при проведении фотолитографии для получения нужной конфигурации проводников, легко поддаются травлению; *вступает в реакции с SiO₂, который частично остается на контактных площадках; *образует низкоомные контакты с кремнием типа n⁺ (высоко…) и р типа; *не образует хрупких химических соединений; *проводимость почти не уменьшается за счет кремния и находящегося в нем в виде твердого раствора; *допускает присоединение золотой и Al проволоки; *выдерживает циклическое изменение температуры (достаточно пластичен); *стоек к окислению в атмосфере, является хорошим материалом для схем стойких к радиации; *имеет невысокую стоимость.

После созадние п/п структуры Ее покрывают слоем двуокиси …

Затем методом термического испарения в вакууме наносят на пластину сплошную пленку Аl толщиной около 1мкм. При многослойной металлизации первый слой более тонкий, чем последующий слой диэлектрика и после этого второй слой металла…

Пленка Al имеет удельное сопротивление около 10^-6 Ом/см, т.е. на 10-20% больше сопротивления объемного Al. Необходимый рисунок проводников и контактирования создают методом … (каким?)…

Пластину подвергают термообработке для получения низкоомных контактов с Si. В обычном случаи Пластину нагревают до 550°С и на несколько минут. Жидкая фаза не образуется.

Т.к. Al является для Si акцепторной примесью, то полученный слой будет обладать электронной проводимостью типа р.

…. При образовании в области кремния с электропроводимостью р-типа примесь Аl только увеличивает концентрацию этой примеси при образовании контакта к области Si с электропроводимостью n-типа, если ее концентрация будет меньше 5*10¹⁸ атомов на куб диффундирующий Si, Al изменит электропроводимость Si с р-типа на n-тип и в данном месте образуется п/п переход.

 

*серым цветом обозначены непонятки в конспекте Коли-борща с ужасным почерком

 

Стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Они работают в области лавинного или туннельного пробоя. Основные параметры стабилитронов:

Напряжение стабилизации U_ст – значение напряжения на стабилитроне при заданном токе стабилизации. Так как участок пробоя вольт-амперной характеристики проходит почти вертикально, то можно считать, что U_ст≈U_проб. Напряжение стабилизации лежит в пределах от 3,3 до 96В.

Максимальный ток стабилизации I_{ст max} ограничивается максимально допустимой мощностью: .

Минимальный ток стабилизации I_{ст min} определяется гарантированной устойчивостью состояния пробоя.

Дифференциальное сопротивление r_диф определяется при среднем токе стабилизации: .

Температурный коэфф-т напряжения стабилизации α_ст – относительное изменение напряжения стабилизации ΔU_ст при изменении температуры окружающей среды на ΔТ (при лавинном характере пробоя коэфф-т α_ст положителен, при туннельном – отрицателен): .

На рис.а представлена схема стабилизации напр-я, а на рис.б показаны графики, иллюстрирующ. работу схемы. Для опред-я токов и напряжений надо построить вольт-амперную хар-ку(ВАХ) стабилитрона (график 1), кот. проходит практически вертикально, ВАХ нагрузки (график 2) и ВАХ ограничительного рез-ра (график 3). Пересечение графиков 1 и 3 определяет значение тока I_И.П, потребляемого от источника питания (точка А). Пересечение графиков 1 и 2 – значение тока нагрузки I_Н (точка В). Разность токов I_И.П и I_Н равна току стабилитрона I_СТ.

Если сопротивление нагрузки изменяется, то изменяется ток I_Н. При уменьшении R_Н ток I_Н возрастает (точка В опускается вниз), а ток I_СТ уменьшается, при этом положение точки А сохраняется неизменным, т.е. увеличение тока нагрузки сопровождается уменьшением тока стабилитрона, а потребление тока от источника питания не зависит от нагрузки.

Если изменяется напряжение источника питания Е_И.П, то точка А меняет свое положение. При уменьшении Е_И.П (график 4) точка А поднимается вверх (точка А’), т.е. уменьшается потребление тока I_И.П, соответственно, уменьшается ток I_СТ, а ток I_Н сохраняется постоянным.

 

Стабилитроны (продолжение)

Параметры схемы выбирают так, чтобы при изменении нагрузки и напряжения источника питания выполнялись неравенства:

Здесь Е_И.П.min и Е_И.П.max – минимальное и максимальное напряжения источника питания;

I_Н.min и I_Н.max – минимальный и максимальный ток нагрузки.

Стабилитроны широкого применения обладают сравнительно высоким температурным коэфф-том напряжения(≈10^-3К^-1). Более высокой температурной стабильностью обладают прецизионные стабилитроны, в кот. послед-но соединены три p-n-перехода. Один из них – стабилизирующий – включен в обратном направлении, два других – термокомпенсирующих – включены в прямом напр-ии. При повышении температуры напряжение на стабилизирующем переходе растет, а на термокомпенсирующих переходах уменьшается, поэтому результирующее напряжение на стабилитроне изменяется незначительно и температурный коэфф-т получается около 10^-5К^-1.

Для стабилизации двух полярных напряжений и для защиты электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей применяют двуханодные стабилитроны, кот. имеют симметричную ВАХ. Такие стабилитроны изготовляют путем введения примесей в пластину кремния одновременно с двух сторон. При этом образуются два р-n-перехода, включенных встречно.

Для ограничения амплитуды импульсов напряжения разработаны импульсные стабилитроны. При мгновенном изменении напряжения нарастание лавины в них происходит за очень короткий промежуток времени (порядка 10^-11с). Это обстоятельство позволяет использовать импульсный стабилитрон в качестве инвертированного диода, в котором участок лавинного пробоя можно рассматривать как прямую ветвь ВАХ импульсного диода.

Разновидностью стабилитрона является стабистор – полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации, которое составляет 0,7 В. Для увеличения напряжения стабилизации используют последовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или сформированных в одном кристалле. Для увеличения крутизны прямой ветви ВАХ базу стабистора делают низкоомной. Из-за малого сопротивления базы толщина p-n-перехода оказывается очень небольшой, поэтому напряжение пробоя стабисторов не превышает нескольких вольт. Температурный коэфф-т стабисторов отрицателен, т.е. с повышение температуры прямая ветвь его характеристики сдвигается влево.

 

Классификация и конструкция и расчет линейных резисторов.

Резисторы являются элементами РЭА и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Они предназначены для перераспределения и регулирования электрической энергии между элементами схемы. Принцип действия резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему через них электрическому току. Особенностью резисторов является то, что электрическая энергия в них превращается в тепло, которое рассеивается в окружающую среду. По назначению дискретные резисторы делятся на резисторы общего назначения, прецизионные, высокочастотные, высоковольтные и высокоомные.

По постоянству значения сопротивления резисторы подразделяются на постоянные, переменные и специальные. Постоянные резисторы имеют фиксированную величину сопротивления, у переменных резисторов предусмотрена возможность изменения сопротивления в процессе эксплуатации, сопротивление специальных резисторов изменяется под действием внешних факторов: протекающего тока или приложенного напряжения (варисторы), температуры (терморезисторы), освещения (фоторезисторы) и т.д.

По виду токопроводящего элемента резисторы делятся на проволочные и непроволочные. По эксплуатационным характеристикам дискретные резисторы делятся на термостойкие, влагостойкие, вибро- и ударопрочные, высоконадежные и т.д.

Резисторы гибридных ИМС изготавливаются в виде резистивных пленок, наносимых на поверхность подложки. Эти резисторы могут быть тонкопленочными (толщина пленки порядка 1 мкм) и толстопленочными (толщина пленки порядка 20 мкм). Резисторы полупроводниковых ИМС представляют собой тонкую (толщиной 2-3 мкм) локальную область полупроводника, изолированную от подложки и защищенную слоем SiO ₂.

Основным элементом конструкции постоянного резистора является резистивный элемент, который может быть либо пленочным, либо объемным. Величина объемного сопротивления материала определяется количеством свободных носителей заряда в материале, температурой, напряженностью поля и т.д. и определяется известным соотношением. где r - удельное электрическое сопротивление материала,

l - длина резистивного слоя, s - площадь поперечного сечения резистивного слоя.

В чистых металлах всегда имеется большое количество свободных электронов, поэтому они имеют малую величину r и для изготовления резисторов не применяются. Для изготовления проволочных резисторов применяют сплавы никеля, хрома и т.д., имеющие большую величину r.

Для расчета сопротивления тонких пленок пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления r_s, под которым понимается сопротивление тонкой пленки, имеющей в плане форму квадрата. Величина r_s связана с величиной r и легко может быть получена из 2.1, если принять в ней s = d w, где w - ширина резистивной пленки, d - толщина резистивной пленки.

Тогда где - удельное поверхностное сопротивление, зависящее от толщины пленки d и имеющее размерность Ом/ _(Ом/квадрат). Если l = w, то R= r_s, причем величина сопротивления не зависит от размеров сторон

1 резистивная пленка 2. На торцы цилиндра надеты контактные колпачки 3 из проводящего материала с припаянными к ним выводами 4. Для защиты резистивной пленки от воздействия внешних факторов резистор покрывают защитной пленкой 5