Сапр как средство снижения затрат на разработку иэт

Технология изготовления интегральных схем основана на многообразных физических явлениях, сопровождающих взаимодействие потоков ионов и фотонов с твердым телом.

Конструирование и использование оборудования, реализующего такую технологию, требует больших финансовых затрат.

Поэтому несомненно важна и актуальна задача разработки физико-математических моделей операций микроэлектроники и соответствующего программного обеспечения, которые позволяют проводить отработку технологии посредством компьютерных расчетов и являются составной частью систем автоматизированного проектирования микроэлектроники.

Резисторы в электронных системах безопасности: классификация, маркировка резисторов, обобщённая модель резистора

Классификация и конструкции. Принцип действия резисторов основан на использовании свойств материалов оказывать сопротивление проходящему электрическому току.

По назначению резисторы могут быть общего назначения, прецизионные, высокочастотные, высокомегаомные, высоковольтные и специальные, а по эксплуатационным характеристикам – термо- и влагостойкими, вибро- и ударопрочными, высоконадежными, повышенной “высотности”.

По виду токопроводящего элемента навесные резисторы подразделяют на группы, которым, согласно ГОСТ 13453 – 68, присваиваются обозначения. Первый буквенный индекс указывает тип резисторов (С – постоянные, СП – переменные), а второй цифровой – материал, из которого они изготовлены (1 – непроволочные, поверхностные, углеродистые и бороуглеродистые; 2 – непроволочные, поверхностные, металлопленочные, металлоокисные; 3 – непрово-лочные, поверхностные, композиционные; 4 – непроволочные, объемные, композиционные; 5 – проволочные; 6 – резисторы СВЧ).

 

Рис. 66. Постоянный непроволочный резистор цилиндрической формы:

1 – колпачок с выводом, 2 – токопроводящий слой, 3 – керамический стержень, 4 – гидрофобная эмаль

 

Третий цифровой индекс означает конструктивный вариант исполнения резисторов одной группы (например, С5-5 – постоянный проволочный резистор пятого варианта исполнения). Наряду с таким обозначением некоторые резисторы ранних выпусков имеют обозначения, в основу которых были положены некоторые отличительные признаки (например, МЛТ – металлопленочный, лакированный, теплостойкий).

По характеру изменения сопротивления резисторы подразделяют на постоянные и переменные, в том числе подстроечные. Постоянные резисторы не изменяют сопротивление при сборке, настройке и эксплуатации аппаратуры, а переменные и подстроечные имеют для этой цели специальное устройство (контактный ползун, укрепляемый на поворотной или червячной оси).

 

Резисторы в электронных системах безопасности: параметры резисторов, особенности конструкции постоянных резисторов, специальные резисторы

 

Основные параметры

Номинальное сопротивление R_ном и его допустимое отклонение± δR. Сопротивление резисторов (Ом) в общем случае определяется формулой

R = рl/S,

где р и S – удельное электрическое сопротивление, Ом • мм²/м, и площадь поперечного сечения, мм², токопроводящего элемента; l – длина пути прохождения тока, м.

Сопротивление поверхностных резисторов цилиндричесхой формы без спиральной нарезки и с нарезкой R = рl/(πD₁h); R = рN πD₂/[(t-a)h]; длина образующей цилиндра резистора без нарезки, м; h – толщина токопроводящего слоя, мм; D₁ и D₂ – наружные диаметры керамических стержней соответственно в мм и м; N, t и а – число витков, шаг и ширина спиральной нарезки, мм.

Сопротивление объемных резисторов прямоугольной формы

R = рl/(bc); где l, b и с – длина, ширина и высота композиционного стержня, мм. Сопротивление проволочных резисторов R = 4рl/(πd²); где l и d длина, м, и диаметр, мм, проволоки.

Сопротивление непроволочных переменных резисторов с токопроводящей “подковкой” R = р(r₁+r₂) πφ/[(r₁+r₂) h*360]; где р – удельное поверхностное электрическое сопротивление композиции,Ом • см; r₁ и r₂ – внешний и внутренний радиусы “подковы”, см; φ – угол, соответствующий повороту ползуна на конкретную длину токопроводяще го слоя, град.

Сопротивление тонкопленочных резисторов ГИС R = р_ٱl/b; где р_ٱ – удельное электрическое сопротивление пленки металла или сплава, пасты, отнесенное к произвольному квадрату ее поверхности, Ом/ٱ; l и b – длина и ширина пленочного резистора, мм.

Номинальное сопротивление резистора обычно указано маркировкой на нем. Для резисторов широкого назначения, согласно ГОСТ 10318 – 74, существует шесть рядов номинальных сопротивлений. Е6, Е12, Е24, Е48, Е96 и Е192. Цифра указывает число номинальных значений в данном ряду, которые зависят от допустимого отклонения сопротивления резистора и его номинала. Допустимые в ГОСТ 9б64--74 отклонения сопротивления от номиналов даны (в процентах) рядом чисел: ± 0,01; ± 0,02; ± 0,05; ± 0,1,. ± 0,2,. ± 0,5,. ± 1,. ± 2,. ± 5,. ± 10., ± 20,. ± 30. Прецизионные резисторы имеют допустимые отклонения сопротивления не хуже ± 2%, резисторы общего назначения – ± 5%; ± 10%; и ± 20% а переменные – до ± 30%.

Номинальная мощность рассеивания Р_ном Под этой величиной понимают максимально допустимую мощность, которую резистор может длительное время рассеивать при непрерывной электрической нагрузке в заданных условиях эксплуатации, сохраняя параметры в установленных ТУ пределах. Эта величина зависит от температуры окружающей среды и приложенного напряжения, что отражается ТУ на резисторы в зависимостях коэффициента нагрузки k= Р_доп / Р_ном отэтих двух факторов.

Согласно ГОСТ 9663 – 61, значения Р _ном(Вт) выбирают из ряда 0,01; 0,025; 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 8; 10; 16; 25; 50; 75; 100; 160; 250; 500. Как правило, чем выше номинальная мощность рассеивания, тем больше габариты резисторов. В большинстве блоков РЭА и ЭВА применяют резисторы, номинальная мощность рассеивания которых не выше 2 Вт. При этом следует учесть, что для надежного функционирования аппаратуры коэффициент нагрузки обычно выбирают не более 0,3.

Предельное рабочее напряжение U _пр. Максимально допустимое напряжение, приложенное к выводам резистора, которое не вызывает превышениянорм ТУ на электрические параметры, называют предельным рабочим напряжением. Эта величина обычно задается для нормальных условий эксплуатации и зависит от длины резистора, шага спиральной нарезки, температуры и давления окружающей среды. Чем выше температура и ниже атмосферное давление, тем вероятнее тепловой или электрический пробой и отказ резистора.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Этот параметр характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1^оС и выражается в 1^оС:

ТКС = дR/(R₀ дt),

где д R – абсолютное изменение сопротивления резистора, Ом, в диапазоне температур дt = t – t₀, ^оС; R₀ – сопротивление резистора (Ом) при нормальной температуре t₀; t – положительная или отрицательная предельная температура эксплуатации резистора по ТУ, ^оС.

Значения ТКС для группы резисторов С1 не превышают – (5 ÷ 20)*10⁴ 1/^оС, для группы С2 – ± (7 ÷ 16) *10⁴ 1/^оС,. для группы С3 – + (10 ÷ 25) *10⁴ 1/^оС, для группы С4 – (– 20 ÷ + 6) *10⁴ 1/^оС. и для группы С5 – (– 5÷ + 10) *10⁴ 1/^оС, в томчисле для прецизионных + (0,15 ÷ 1,5)*10⁴ 1/^оС. Для большинства групп резисторов эта величина является линейной, а в случаях, когда она изменяется по резко нелинейному закону, в ТУ указывают не ее, а предельные относительные изменения сопротивления при крайних значениях рабочих температур. Значение и знак ТКС определяются в основном температурным коэффициентом удельного сопротивления - (ТКр) материала токопроводящего слоя. Так, проволочные резисторы имеют малый положительный ТКС; углеродистые – отрицательный среднего значения (с увеличением температуры увеличивается контактируемость «зерен» слоя и сопротивление уменьшается); полупроводниковые – большой отрицательный (уменьшается сопротивление р-n-переходов), а металлизированные и композиционные – знакопеременный средний и большой (в зависимости от того, что преобладает: контактируемость «зерен» или увеличение сопротивления под действием хаотического движения электронов в «зернах»).

Шумы. При приложении к резисторам постоянного или переменного напряжения в них наблюдаются шумы. Шум представляет собой переменную составляющую, накладываемую на постоянный уровень напряжения резистора, что создает помехи для прохождения сигнала и ограничивает, в частности, чувствительность радиоприемных трактов РЭА. Особенно вредны шумы резисторов, используемых во входных цепях радиоприемников, так как они усиливаются вместе с принимаемым полезным сигналом.

Собственные шумы резисторов имеют двоякую структуру. Это так называемые тепловые и токовые шумы. Тепловые шумы возникают под действием хаотического движения электронов в токопроводящем слое («броуновское движение»), что приводит к случайным микроизменениям сопротивления резистора и, следовательно, к появлению переменных пульсаций напряжения на нем. Тепловые шумы при увеличении температуры возрастают. Они присущи всем видам резисторов, но по значению меньше токовых и поэтому характерны лишь для проволочных резисторов, в которых “токовые” шумы отсутствуют.

Частотные свойства резисторов. При работе резисторов в диапазоне ча-стот сопротивление может изменяться относительно его номинала при постоянном токе, что приводит к изменению выходных параметров и устойчивости работы функциональных узлов, блоков и РЭА в целом. Эти изменения, особенно для мегагерцевого диапазона частот, могут составлять единицы децибел.

В общем случае упрощенная эквивалентная схема резистора для высоких частот (рис.71) кроме собственно активного сопротивления R включает реактивные составляющие – индуктивности L’_пар и L"_пар и емкость С_пар. Так как они ухудшают частотные свойства резисторов, их часто называют паразитными. В различных типах резисторов паразитные индуктивности и емкость образуются по-разному, поэтому и меры, предусматривающиеих уменьшение, также отличаются. Более подробно мы рассмотрим это при описании конкретных типов резисторов. В проволочных резисторах паразитные индуктивности образуются в обмотке провода и в выводах, а паразитная емкость - между витками обмотки.

Рис. 71. Эквивалентная схема резистора для высоких частот

 

Проволочные резисторы по сравнению с непроволочными гораздо менее высокочастотны и применение их без принятия специальных мер ограничивается областью постоянного тока и диапазоном звуковых частот.

Нелинейные свойства резисторов. Сопротивление резистора может изменяться также в зависимости от режима его работы (приложенного напряжения, протекающего тока, вида переменного поля – непрерывный или импульсный режим). При этом изменения сопротивления выражаются в процентах на единицу напряжения или тока либо просто в процентах при переходе на единицу напряжения или тока либо просто в процентах при переходе от непрерывного режима к импульсному и оцениваются соответственно коэффициентами напряжения, нагрузки или коэффициентом импульсной нагрузки.

Постоянный непроволочный поверхностный резистор цилиндрической формы, характерный для групп С1, С2 и СЗ (рис. 66), представляет собой круглый керамический стержень 3, на внешнюю поверхность которого нанесен тонкий (от долей до единиц микрометра) токопроводящий слой 2. На оба конца стержня насажены латунные колпачки 1 с аксиальными (чаще всего) выводами. Для защиты от внешней среды резистор покрывают гидрофобной (водоотталкивающей) эмалью 4, а выводы облуживают. Цвет эмали обычно обозначает ту или иную группу резисторов (например, красный – группу С2). Токопроводящий слой низкоомных резисторов (не более 200 – З00 Ом) сплошной, а резисторов с более высокими сопротивлениями – с нарезкой; причем чем выше сопротивление, тем мельче шаг нарезки.

Постоянный непроволочный объемный резистор прямоугольной формы, характерный для группы С4 (рис. 67), представляет собой стержень из токопроводящей композиции 4 с проволочными аксиальными выводами 1, которые опрессованы стеклоэмалевой (стеклокерамической) оболочкой 2. Такая конструкция весьма устойчива к механическим воздействиям и влиянию влаги.

 

 

Рис. 67. Постоянный непроволочный резистор прямоугольной формы:

1 – проволочный вывод, 2 – етеклоэмалевая оболочка, 3 – эмалевое

покрытие, 4 – токопроводящая композиция

Постоянный проволочный резистор, характерный для группы С5, представляет собой изоляционный каркас, на который намотана проволока (или микропроволока в стеклянной изоляции),. имеющая высокое удельное сопротивление. Каркас выполняют из керамики или нагревостойкой пластмассы, а обмотка из манганина, константана или нихрома может быть однослойной, многослойной, простой и специальной, секционированной и несекционированной. Снаружи резистор покрывают термостойкой эмалью, опрессовывают пластмассой либо герметизируют металлическим корпусом, закрываемым с торцов керамическими шайбами. Резистор может быть цилиндрической или прямоугольной формы.

Постоянный ниточный резистор, характерный для групп микромодульных резисторов С2-12 и СЗ-З, представляет собой стержень из стекловолокна с нанесенными на его поверхность тонкими слоями сплавов олова или токопроводящей композиции и применяется при конструировании ГИС. Ниточные резисторы приклеивают к контактным площадкам подложек токопроводящим клеем-контактолом.

Постоянный тонкопленочный резистор ГИС представляет собой напыленный через специальную маску на ситалловую или поликоровую подложку тонкий (не более 1 мкм) слой проводникового материала в виде прямоугольной полоски или “меандра” (рис. 68). Для защиты от окисления на эти резисторы часто напыляют слой моноокиси кремния или покрывают их гидрофобным лаком.

Постоянный толстопленочный резистор ГИС изготовляют нанесением через трафарет (маску) специальных паст на основе благородных металлов. Пасту втирают специальным инструментом (ракелем) в керамическую подложку (керамика 22"С), а затем вжигают, получая резисторы прямоугольной формы с шириной полоски на порядок большей, чем у тонкопленочных.

Постоянные резисторы. Среди множества типов резисторов, выпускаемых промышленностью, большинство является постоянными общего назначения. В их конструкциях используются практически все виды токопроводящих элементов. Так как резисторы, применяемые в микроэлектронной аппаратуре, должны иметь малые массу и габариты, постепенно исчезают резисторы больших номинальных мощностей рассеивания и, наоборот, появляются резисторы милливаттных мощностей. Учитывая это, рассмотрим постоянные резисторы общего назначения, номинальная мощность которых не превышает 2Вт. Некоторые типы этих резисторов показаны на рис. 74, а – г.

 

 

Углеродистые резисторы, предназначенные для цепей постоянного, переменного и импульсного токов радиотехнической и электронной аппаратуры, изготовляются термическим испарением гептана на керамические цилиндрические стержни, имеют радиальные или аксиальные выводы и являются резисторами поверхностного типа. Снаружи резисторы покрыты гидрофобной эмалью зеленого цвета и выпускаются обычного и тропического исполнения. Большинство этих резисторов имеют максимальную рабочую температуру 100^оС и рабочую температуру 40^оС, при которой допустим коэффициент нагрузки, равный единице; для резисторов тропического исполнения эти температуры соответственно равны 125 и 70^оС.

Резисторы этой группы достаточно высокочастотны, так как обладают небольшой паразиткой емкостью в витках нарезки из-за меньшей толщины токопроводящего слоя (сотые доли микрометра), малогабаритны и стабильны (их ТКС средний и всегда отрицательный). Однако из-за широкого применения металлопленочных и быстрого развитиямикропроволочных высокостабильных резисторов, некоторые типы которых по массе и габаритам не уступают углеродистым, их применение ограничено.

В настоящее время выпускаютсяуглеродистые резисторы С1, предназначенные для работы в условиях сухого и влажного тропического климата, габариты и масса которых значительно меньше, чем у ранее выпускаемых резисторов ВС. Кроме того, они более влагостойки и менее подвержены обрастанию плесневыми грибками.

Металлопленочные резисторы, предназначенные для цепей постоянного, переменного и импульсного токов аппаратуры нормального и тропического исполнения, тепло и влагостойкости, обладают повышенной механической прочностью и часто используются в РЭА. широкого и специального назначения, особенно малогабаритной, так как по размерам они совместимы с ИС. Эти резисторы обладают лучшими электрическими параметрами, чем углеродистые и композиционные при сравнительно небольшой стоимости, что объясняет их широкое применение.

Основанием металлопленочных резисторов служат керамические стержни, на которые наносят термическим испарением пленки (толщиной от десятых долей до единиц микрометра) специальных сплавов, оксидов металлов и металлодиэлектриков. Резисторы имеют аксиальные выводы и снаружи покрыты гидрофобной эмалью, как правило, красного цвета.

По сравнению с углеродистыми металлопленочные резисторы при одной и той же номинальной мощности рассеивания имеют меньшие габариты, так как они в результате применения в качестве токопроводящего слоя оксидов металлов или сплавов, а не углерода более теплостойки. Применение температуростойкогопокрьттия обеспечивает им повышеннуювлагозащиту. Недостатками металлопленочных резисторов являются сравнительно небольшая стойкость к импульсной нагрузке и меньший частотный диапазон, чем у углеродистых. Объясняется это большей толщиной токопроводящего слоя, ввиду чего в нарезке возникают локальные перегревы, разрушающие его края, а также увеличивается паразитная межвитковая емкость.

Основными типами металлопленочных резисторов, применяемых в настоящее время, являются МЛТ, ОМЛТ, МТ, МТЕ и группы С2. Металлизированные резисторы МТ и МТЕ имеют немного более вытянутую форму, чем резисторы МЛТ и ОМЛТ, и более теплостойки. Металлоокисные резисторы, С2-6 способны работать до температуры + 300 ^оС, станатные (из сплава олова) ниточные микрорезисторы С2-12 применяют в гибридных ИС.

Композиционные резисторы, используемые для тех же целей, что углеродистые и металлопленочные, пригодны для работы в условиях сухого и влажного тропического климата. Отличительными особенностями этих резисторов являются высокая вибропрочность, обеспечиваемая запрессовкой выводов в основание, большой уровень собственных шумов до 10мкВ/В) и зависимость сопротивления от приложенного напряжения. Число типов в этой группе невелико.

Композиционные ниточные резисторы С3-3 длиной 3 и 6 мм, шириной 0,45 мм и толщиной 0,8 и 1 мм используются для установки на подложках гибридных ИС.

Резисторы группы С4 и ранее выпускаемые ТВО (тепло- и влагостойкие объемные) имеют прямоугольную форму. Объемный токопроводящий слой запрессован в стеклоэмалевую или стеклокерамическую оболочку. Эти резисторы имеют сравнительно малые габариты и массу и хорошо компонуются на печатных платах. Номинальная мощность рассеивая резисторов ТВО до 60 Вт. Резисторы С4-1 длиной от 13,5 до 36,5 мм, высотой от 4 до 6 мм и шириной от 2,2 до 5 мм – наиболее теплостойкие (до 350 ^оС).

Проволочные резисторы обладают повышенной температурной стабильностью и термостойкостью. Основные недостатки этих резисторов – ограниченный диапазон значений сопротивлений (до сотен кОм) и довольно высокая стоимость.

Резисторы ПЭ, ПЭВ, ПЭВР, ПЭВТ (ПЭ – проволочные эмалированные, В – влагостойкие, Р – регулируемые с хомутиком, Т – термостойкие) предыдущих выпусков и их современные модификации – резисторы С5-35, С5-36, С5-37В – имеют значительные мощности рассеивания (до 100 Вт), большие массы (до 300 г) и габариты и применяются в силовых установках (например, в выпрямителях).

Резисторы С5-31 (микропроволочные микроминиатюрные) применяются в микроэлектронной аппаратуре, например в радиоприемных трактах, вычислительных устройствах, и устанавливаются непосредственно на подложках гибридных ИС.

Резисторы специального назначения основаны на принципах изменения сопротивления в зависимости от приложенного напряжения (варисторы), освещенности (фоторезисторы), температуры (терморезисторы) или мощности (термисторы). Эта группа резисторов по эксплуатационным параметрам и их диапазонам не может быть охарактеризована как единое целое. Обычно такие резисторы применяют в качестве измерителей, стабилизаторов и преобразователей различного рода сигналов в электрические сигналы и используют в аппаратуре автоматики и телемеханики, а также измерительной и индикаторной РЭА.

Резисторы интегральных микросхем. Все элементы полупроводниковых интегральных схем транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы) создаются на базе р-n-переходов в теле кремниевой подложки методами, эпитаксии и диффузии. Резисторы полупроводниковых схем получают в базовой области и их сопротивление определяется ее сопротивлением, которое лежит в пределах от 25 Ом до единиц килоом. Технологическая точность резисторов не превышает ± 30%, а ТКС = ±10³,1/^оС.

Резисторы толстоплёночных микросхем получают методом шелкографии – нанесение через трафареты на поверхность керамических подложек (керамики 22ХС) специальных паст с последующим их вжиганием (методом горячей керамики).

Наибольшее распространение в микроэлектронной технике специального назначения получили тонкоплёночные микросхемы, на базе которых создаются большие гибридные интегральные схемы. Объясняется это тем, что тонкоплёночная технология позволяет расширить пределы номинальных значений параметров элементов и получить более высокую точность, стабильность и надёжность.

Резисторы тонкопленочных схем создают, напыляя металлы или другие токопроводящие вещества обычно на ситалловые подложки. Конфигурация резисторов определяется топологией (размещением и размерами) резистивного слоя масок, через “окна” в которых проводится напыление. При этом используют как вакуумное термическое испарение, так и катодное распыление. Процесс напыления выполняют в специальных вакуумных установках.

Маски могут быть металлическими и фоторезистивными. Фоторезистивные маски получают методом фотолитографии, разрешающая способность которого составляет единицы микрометра. Однако из технологических и точностных соображений минимально допустимую ширину “окна” в маске выбирают равной 50-100 мкм. Для напыления резисторов применяют сплав МЛТ-ЗМ, тантал, керметы и силициды.

Основным параметром напыляемого материала является сопротивление квадрата его поверхности ρ_ٱ= ρ_υ/d, где ρ_υ- удельное объёмное сопротивление, Ом • см; d – толщина напыляемой пленки, см.

Тонкопленочные резисторы могут иметь форму полоски или меандра и обладают рядом преимуществ перед полупроводниковыми: они более стабильны (± 10^-41/^оС), точны (до ± 5%) и имеют диапазон номиналов сопротивлений до 100 кОм, который обычно ограничивается в пределах от 50 Ом до 50 кОм.

 

 

31. Резонаторы на ПАВ: принцип работы, основные характеристики и конструктивные варианты

Основой резонатора ПАВ является кварцевая пластина, вырезанная из монокристалла кварца. Ориентация пластины относительно осей монокристалла образует срез.

 

На поверхность кварцевой пластины нанес╦н тонкий слой металла. Чаще всего используется алюминий. В металле с использованием фотолитографии сформирована структура резонатора, состоящая из одного или двух преобразователей на встречных штырях (ВШП) и двух отражательных реш╦ток.

 

Основные элементы конструкции резонатора показаны на рис. 1.

 

Рисунок 1. Структуры и эквивалентные схемы резонаторов: а) одновходовый резонатор; б) двухвходовый резонатор; в) связанный резонатор

 

 

Электрический высокочастотный сигнал посредством преобразователей созда╦т на поверхности кварца механические (акустические) колебания, распространяющиеся в виде волны. Такая волна получила название - поверхностная акустическая волна (ПАВ). Скорость ПАВ в кварце в 100000 раз меньше скорости электромагнитной волны. Медленное распространение акустической волны является основой миниатюризации приборов ПАВ. Максимальная эффективность преобразования достигается на частоте синхронизма, то есть на такой частоте подводимого электрического сигнала, когда длина волны акустических колебаний совпадает с пространственным периодом электродов преобразователя. На частоте 433,92 МГц длина волны акустических колебаний составляет 7 мкм.

 

Две реш╦тки на частоте синхронизма работают как два зеркала, отражая акустическую волну. За сч╦т сохранения и накопления энергии механических колебаний в области между реш╦тками на резонансной частоте образуется высокодобротная колебательная система. Длина всей системы составляет несколько сотен длин волн. При этом общая длина кварцевой подложки резонатора с частотой 433,92 МГц не превышает 3 мм.

 

Точность установки резонансной частоты, высокая воспроизводимость всех параметров резонатора на частоте 433,92 МГц достигается пут╦м использования группового изготовления на кварцевых пластинах диаметром 100 мм и современного технологического оборудования микроэлектронного производства.

Существует три основных типа резонаторов: одновходовый, двухвходовый и связанный. На рис. 1 показаны структуры этих типов резонаторов и приведены соответствующие эквивалентные схемы, которые достаточно хорошо моделируют частотную характеристику вблизи резонансной частоты. Все три типа резонаторов при массовом производстве выпускаются в корпусе с тремя выводами: два изолированных, а один - соедин╦нскорпусом. Всоответствиисростомспросамировогорынканарезонаторывкерамическом корпусе, которые монтируются на поверхность (SMD), промышленность наращивает объ╦мыихвыпуска. Какправило, длярезонатора 433,92 МГциспользуется SMD-корпуссразмерами 5x5 мм (QCC8). Сохраняетсявыпускрезонаторов 433,92 МГцвметалло-стеклянномкорпусе типа ТО-39 и SIP-4M. Внешний вид и основные размеры указанных корпусов приведены на рис. 2.

Рисунок 2. Внешний вид и чертежи корпусов: а) корпус ТО-39; б) корпус SIM-4M; в) корпус QCC8

Основные параметры	Производные параметры
Ёмкость П. р., заторможенного по отношению к рассматриваемому резонансу	Ёмкостное отношение
Динамич. ёмкость С,	Механич. добротность
Динамич. индуктивность L,	Коэф. качества
	Резонансная частота
Эквивалентное сопротивление механич, потерь R 1	Частотная постоянная Константа динамич, емкости

 

 

36. Устройства оптоэлектроники: элементы волоконной оптики, светоизлучающие диоды и др. активные структуры, фотоприёмники Основным элементом оптоэлектроники является оптрон. Различают оптроны с внутренней (рис. 9.4, а) и внешними (рис. 9.4, б) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рис. 9.4, а), состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1, световода 2 и приемника света 3, заключенных в герметичном светонепроницаемом корпусе. При подаче на вход электрического сигнала в виде импульса или перепада входного тока возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Этот тип оптрона является усилителем электрических сигналов, в нем внутренняя связь фотонная, а внешние — электрические. Другой тип оптрона — с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рис. 9.4, б) — является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6. В настоящее время разработано большое число оптоэлектронных устройств различного назначения. В микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется возможность интеграции, а также совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем.

Фотоизлучатели. К источникам света оптоэлектроникой предъявляются такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокие эффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств.Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции

 

 

 

Рис. 9.5. К объяснению принципа действия инжекционного светодиода

 

 

через p-n -переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (рис. 9.5). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости — заполнение состояния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р-n -переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией. Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть валентной зоны, вызывает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии (от ∆E=E₂-E₁ до ∆E=2δE) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее состояние уже заполнено. Это означает, что p-n -переход прозрачен для фотонов такой энергии, т. е. для соответствующей частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей ∆E+2δE, могут поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной зоны ∆Е с шириной спектра δE.

Наилучшими материалами для светодиодов являются арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. Светодиоды имеют высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см²). В последнее время разработаны светодиоды на основе арсенида галлия — алюминия, мощности которых составляют от долей до нескольких милливатт при прямом токе в десятки миллиампер. К. п. д. светодиодов не превышает 1 — 3%.

Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие концентрировать высокие энергии в узкой спектральной области при высоких к. п. д. и быстродействии (десятки пикосекунд). Эти лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы. Недостатком простых инжекционных лазеров является то, что они имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При нормальной температуре галлий-арсенидовый лазер имеет малую среднюю мощность, низкий к. п. д. (порядка 1%), небольшие стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного лазера путем создания перехода сложной структуры с использованием гетеропереходов (гетеропереход — граница между слоями с одинаковыми типами электропроводности, но с разной шириной запрещенной зоны) позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с к. п. д. 10 — 20% и приемлемыми характеристиками.

Фотоприемники. Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры и другие приборы.Фотодиод представляет собой смещенный в обратном направлении p-n -переход, обратный ток насыщения которого определяется количеством носителей заряда, порождаемых в нем действием падающего света (рис. 9.6). Параметры фотодиода выражают через значения тока, протекающего в его цепи. Чувствительность фотодиода, которую принято называть интегральной, определяют как отношение фототока к вызвавшему его световому потоку Ф_υ. Порог чувствительности фотодиодов оценивают по известным значениям интегральной (токовой) чувствительности и темнового тока I_d, т. е. тока, протекающего в цепи в отсутствие облученности чувствительного слоя.Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра (от λ = 0,6 –0,8 мкм до λ = 1,1 мкм) с максимумом при λ= 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды имеют границы чувствительности λ = 0,4 — 1,8 мкм с максимумом при λ ≈ 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых; фотодиодов при напряжении питания 10 В он достигает 15—20 мкА.

36.

Рис. 9.6. Схема и вольт-амперные характеристики фотодиода

Рис. 9.7. Схема и вольт-амперные характеристики фототранзистора

Фототранзисторы представляют собой приемники лучистой энергии с двумя или с большим числом р-п- переходов, обладающие свойством усиления фототока при облучении чувствительного слоя. Фототранзистор соединяет в себе свойства фотодиода и усилительные свойства транзистора (рис. 9.7). Наличие у фототранзистора оптического и электрического входов одновременно позволяет создать смещение, необходимое для работы на линейном участке энергетической характеристики, а также компенсировать внешние воздействия. Для обнаружения малых сигналов напряжение, снимаемое с фототранзистора, должно быть усилено. В этом случае следует увеличить сопротивление выхода переменному току при минимальном темновом токе в цепи коллектора, создавая положительное смещение на базе.