Діоди у напівпровідникових ІМС.

Як діоди у НП ІМС викор. біполярні транзистори в діодному ввімкненні. Це виявляється зручним для виробництва.

п’ять варіантів діодного ввімкнення транзисторів

-У випадку БК-Е (база-колектор-емітер) база і колектор замкнуті накоротко, час переключення з відкритого стану в закритий мінімальний - одиниці наносекунд.

-У випадку Б-Е (база-емітер) використовується тільки емітерний перехід. Час переходу в декілька разів більший. Обидва ці випадки мають мінімальну ємність (0,1-0,5 пкФ) і мінімальнийзворотній струм (0,5-1,0 нА), однак й мінімальну пробивну напругу.

-У випадку БЕ-К (база-емітер-колектор), коли база і емітер замкнуті накоротко,

-У випадку Б-К (база-колектор) з використанням одного колекторного переходу, час переходу з відчиненого стану в зачинений порядка десятків наносекунд, пробивна напруга - 40-50 В, зворотній струм -15 - 30 нм.

-Випадок Б-ЕК (база-емітер-колектор) з паралельним з’єднанням обох переходів має найбільший час переходу (100нс), максімальний зворотній струм (до 40 нА), трохи більшу ємність і таку ж малу пробивну напругу як і в перших двох випадках.Найчастіше використовуються випадки БК-Е та Б-Е.

 

 

12. Напівпровідникові резистори і конденсатори: конструкція, структура та робочі параметри. У НІМС використовуються дифузійні резистори - області усередині кристалу з тим або іншим типом провідності (рис. 1.24).Опір дифузійного резистора залежить від довжини, ширини та товщини області р-типу питомий опір складає сотні Ом на квадрат і можуть бути одержані номінали до десятків кОм. Для збільшення опору іноді резистор роблять зигзагообразної конфігурації. Якщо необхідні відносно малі опори то резистори виготовляють одночасно з емітерними областями типу n (рис. 1.24 б) транзисторів.

Для виготовлення резисторів використовується також метод іонної імплантації, при якому відповідне місце кристалу піддається бомбардуванню іонами домішки, які проникають в нього на глибину 0,2 - 0,3 мкм. Питомий опір таких резисторів складає величину до 20 кОм/. На частотах вищих деякої граничної опір резистора стає комплексним.

р-типу (а) n-типу (б)

Рисунок 1.24 - Дифузійні резистори НІМС

Дифузійні конд. НІМС викор. бар’єрна ємність n-p-переходу. Ємність такого конденсатора залежить від площини та товщини переходу, діелектричної проникливості напівпровідника і концентрації домішок. Оскільки область емітера має електропровідність n+-типу, перехід вконденсаторі буде більш тонким. Ємність таких конденсаторів не перевищує величину с = 1500 пФ з допуском 20%. Температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ) складає величину  10-3 К-1, напруга пробою Uп≤ 10 В. Працюють дифузійні конденсатори тільки при зворотній напрузі. Другий тип конденсаторів - МОН-конденсатори, які застосовують в схемах на МОН-транзисторах. Одна обкладинка - дифузійний шар кремнію типу n+, на якій нанесено тонкий шар діелектрика SiO2. Друга -металева (алюмінієва) плівка, нанесена поверх вищевказаного шару. Переваги МОН-конденсаторів - низький ТКЄ - 2.10-4 К-1 та можливість роботи при любій полярності

дифузійний конденсатор

 

 

13 Напівпровідникові конденсатори: дифузійні та МОН-конденсатори. У дифузійних конденсаторах НІМС використовується бар’єрна ємність n-p-переходу. Ємність такого конденсатора (рис. 1.25) залежить від площини та товщини переходу, діелектричної проникливості напівпровідника і концентрації домішок. Оскільки область емітера має електропровідність n+-типу, перехід в конденсаторі буде більш тонким. Ємність таких конденсаторів не перевищує величину с = 1500 пФ з допуском ±20%. Температурний Рисунок 1.25 - Структура

дифузійного конденсатора коефіцієнт ємності (ТКЄ) складає величину , напруга пробою Uп≤ 10 В. Працюють дифузійні конденсатори тільки при зворотній напрузі, яка для одержання постійної ємності повинна бути постійною.

Другий тип конденсаторів - МОН-конденсатори, які застосовують в схемах на МОН-транзисторах. Одна обкладинка - дифузійний шар кремнію типу n+, на якій нанесено тонкий шар діелектрика SiO2. Друга - металева (алюмінієва) плівка, нанесена поверх вищевказаного шару. Номінали таких конденсаторів бувають до 500 пФ з допуском ±25%; Uп = 20 В. Переваги МОН-конденсаторів - низький ТКЄ - та можливість роботи при любій полярності. Нелінійність ємності, тобто залежність її від напруги значно менше ніж у дифузійних конденсаторів. Як в інших елементах, у конденсаторів ІС утворюються паразитні ємності по відношенню до кристалу та паразитні транзистори.

 

14. Індуктивні елементи гібридних інтегральних мікросхем. Плівкові котушки ГІМС бувають двох типів: перший тип - мікрокотушки, що монтуються на плату мікросхеми, другий тип - індуктивні елементи, виконані у вигляді круглих (рис.1.31 а), плоских квадратних (рис.1.31 б) спіралей або окремих витків (рис. 1.31 в), які наносять на діелектричну або магнітну основу чи плівку. Основними параметрами плівкових індуктивних елементів є індуктивність L, добротність Q, власна резонансна частота f0 та ін. Вони залежать від конструкції й розмірів спіралі, питомого опору провідникового матеріалу та умов навколо спіралі. Індуктивність визначається зовнішнім діаметром спіралі D2, який обмежують розмірами 15 - 20 мм. Якщо не застосовувати магнітних основ або плівок, то значення індуктивності не перевищує одиниць мікрогенрі. Індуктивність плоскої спіралі круглої форми розраховують за формулою: , а індуктивність плоскої спіралі квадратної форми - за формулою:

Рисунок 1.31 - Індуктивні елементи ІМС де D1, D2 - внутрішній та зовнішній діаметри спіралі, мм;- число витків (індуктивність L вимірюється в нГн

Значення добротності для круглої спіралі

розраховують за таким виразом: , а для квадратної: де b - ширина провідника, мм; f - частота, ГГц.

Індуктивні елементи надвисоких частот мають значення індуктивності до 10 - 20 нГн, їх виконують у вигляді круглого або квадратного витка (рис. 1.31 в). Індуктивність плоского прямокутного провідника розраховують за формулою: ,де l - індуктивність, нГн; l, b, d - відповідно довжина, ширина і товщина прямокутного провідника, мм. За допомогою наведеної формули розраховують індуктивність плоских виводів компонентів.Індуктивні елементи ІМС НВЧ повинні мати довжину провідника набагато меншу за довжину хвилі. Серед недоліків індуктивних елементів слід назвати такі: великі габаритні розміри, значна відносна похибка індуктивності (0,2 - 0,3) і неможливість простого підстроювання. Якщо виготовити дві плоскі котушки з протилежних боків підкладки, можна одержати плівковий трансформатор. Товщина підкладки буде визначати величину взаємної індукції. Але коефіцієнт взаємної індукції буде низьким, тому що матеріалом підкладки не є магнетик.

 

 

15. Варистор: структура, фізичні основи роботи, параметри і характеристики. Вари́стор - напівпровідниковий резистор, електричний опір (провідність) якого нелінійно залежить від прикладеної електричної напруги; іншими словами, який має нелінійну симетричну вольт-амперну характеристику та два виводи.Виготовляють варистори спіканням при температурі 1700 °C напівпровідника переважно з порошкоподібного карбіду кремніюSiC або оксиду цинку ZnO, та сполучної речовини (глина, рідке скло, лаки, смоли та ін.). Після цього поверхню отриманого елемента металізують та припаюють до неї виводи.Конструктивно варистори виготовляються у вигляді дисків, таблеток, стрижнів. Широке розповсюдження отримали стрижневі налаштовувані варистори з рухомим контактом.

Позначення варистора

Вах варистора

Нелінійність характеристик варисторів зумовлена локальним нагрівом дотичних граней численних кристалів карбіду кремнію (або іншого напівпровідника). При локальному підвищені температури на межах кристалів опір останніх різко знижується, що призводить до зменшення загального опору варисторів.

 

 

16. Ефект Ганна: фізика процесу, вольт-амперна характеристика, схема розвитку електричного домену. Ефект Ганна - це ефект генерації високочастотних коливань електричного струму в напівпровіднику при достатньо великій напрузі, яка прикладається до нього. відкритий американським фізиком Дж. Ганном у 1963 році в кристалі арсеніду галію (GaAs) з електронною провідністю. Генерація виникає, якщо постійна напруга U,яка прикладається до напівпровідника довжиною l, така, що середнє електричне поле E у зразку дорівнює Е =U/l, що відповідає падаючій ділянці вольт-амперної характеристики E1 - E2 (рис. 1.10).

При ефекті Ганна в зразку періодично з’являється, переміщується по ньому та зникає область сильного електричного поля - домен Ганна. Домен виникає внаслідок того, що однорідний розподіл електричного поля є нестійким. якщо в НП випадково виникає неоднорідний розподіл концентрації електронів у вигляді дипольного шару, то між зарядженими областями виникає додаткове поле Е (рис. 1.11). Якщо область підвищеної концентрації електронів перебуває ближче до катода, то Е додається до зовнішнього електричного Якщо при цьому дифузійний опір зразка додатній,, то струм і усередині шару більший, ніж зовні (j>0).Якщо ж дифузійний опір від’ємний (струм зменшується із зростанням поля), то струм менше там, де Е більше, тобто всередині шару, і неоднорідність наростає. Внаслідок цього виникає електричний домен. Поза доменом E< E1, завдяки чому нові домени не виникають. Стійкий стан зразка - це стан з одним доменом. Оскільки домен утворюється електронами провідності, він рухається в напрямку їх дрейфу із швидкістю v, величина якої є близькою до дрейфової швидкості. Домен виникає поблизу катода і, дійшовши до анода, зникає. Ефект Ганна, крім GaAs спостерігається в напівпровідниках InP, CdTe, ZnS, InSb, InAs та Ge з дірковою провідністю. Ефект Ганна використовується для створення генера-торів НВЧ із заданою формою сигналу, аналогово-циф-рових перетворювачів, приладів оптоелектроніки (модуляторів, приймачів світла), підсилювачів.

 

17. Симетричні тиристори (симістори): діак, тріак. Конструктивні особливості, робочі характеристики і галузі застосування. Симіcтop - напівпровідниковий прилад, який широко використовується в системах, що харчуються змінною напругою.Спрощено він може розглядатися як керований вимикач. У закритому стані він поводиться як розімкнений вимикач.Навпаки, подача струму, що управляє, на електрод симистора, що управляє, веде до переходу його в провідний стан. В цей час симістор подібний до замкнутого вимикача. За відсутності струму симістор, що управляє, під час будь-якого напівперіоду змінної напруги живлення неминуче переходить із стану провідності в закритий стан. Окрім роботи в релейному режимі в термостаті або світлочутливому вимикачі, розроблені і широко використовуються системи регулювання, що функціонують за принципом фазового управління напругою навантаження, або, іншими словами, плавні регулятори.

 

Структура симістора (Тріака)

Симістор відкривається, якщо через електрод, що управляє, проходить відмикаючий струм або якщо напруга між його електродами А1 і А2 перевищує деяку максимальну величину (насправді це часто приводить до несанкціонованих спрацьовувань симістора, що відбувається при максимумі амплітуди напруги живлення)Симістор переходить в закритий стан після зміни полярності між його висновками А1 і А2 або якщо значення робочого струму менше струму утримання Iу.

Вах симістора.

Діодні тиристори (диністори, діаки) мають тільки два виводи - анод та катод.

Структура диністора(діака)

18. Диністори і триністори: структура, робочі характеристики, галузі застосування. Тиристор - це напівпровідниковий прилад, що має чотирьохшарову р-п-р-п структуру з трьома послідовними р-п переходами, що характеризується двома стійкими станами в прямому напрямі і замикаючими властивостями в протилежному напрямі. За кількістю виводів тиристори поділяють на типи: діодні тиристори (диністори), що мають тільки два виводи - анод та катод; тріодні тиристори (триністори), що мають три виводи (два основні і один керуючий) - анод, катод і керуючий електрод; чотириелектродні (тетродні) тиристори, що мають чотири виводи (два вхідні і два вихідні).При включенні діністора за схемою, наведеною на рисунку 1. 61, колекторний р-п- перехід закритий, емітерні - відкриті. Опори відкритих переходів малі, тому майже вся напруга джерела живлення прикладена до колекторного переходу, що має високий опір. Через тиристор протікає малий струм (ділянка 1 на рис. 1.62).При збільшенні напруги джерела живлення, струм тиристора збільшується незначно, поки напруга не наблизиться до деякого критичного значення, рівному напрузі включення Uвкл. При напрузі Uвкл в діністорі створюються умови для лавинного розмноження носіїв заряду в області колекторного переходу. Відбувається зворотній електричний пробій колекторного переходу. У п-області колекторного переходу утворюється надмірна концентрація електронів, а в р - області - надмірна концентрація дірок. Зі збільшенням цих концентрацій знижуються потенційні бар'єри всіх переходів діністора. Зростає інжекція носіїв через емітерні переходи. Процес носить лавиноподібний характер і супроводжується перемиканням колекторного переходу у відкритий стан. Зростання струму відбувається одночасно зі зменшенням опорів усіх областей приладу. Тому збільшення струму через прилад супроводжується зменшенням напруги між анодом і катодом.

Рисунок 1.61 - Схема включення диністора

Рисунок 1.62 - Вольт-амперна характеристика диністора:1 - зростання струму через р-п-переходи тиристора;2- колекторний пробій;3- лавиноподібне збільшення струму;

4- робочий режим;5- зворотнє ввімкнення;6- електричний пробій.На ВАХ цю ділянку позначено цифрою 3 (рис.1.62). Тут прилад має негативний диференціальний опір. Напруга на резисторі зростає і відбувається перемикання діністора. Після переходу колекторного переходу у відкритий стан ВАХ має вигляд, відповідної прямої гілки діода (ділянка 4 на рис. 1.62). Після перемикання напруга на діністорі знижується до 1В. Якщо і далі збільшувати напругу джерела живлення або зменшувати опір резистора К, то буде спостерігатися зростання вихідного струму, як у звичайній схемі з діодом при прямому включенні.Диністори застосовуються у вигляді безконтактних перемикачів пристроїв, керованих напругоюПри зменшенні напруги джерела живлення відновлюється високий опір колекторного переходу. Час відновлення опору цього переходу може становити десятки мікросекунд.Переведення триністора із закритого стану у відкритий в електричному колі здійснюється зовнішньою дією на прилад. В тріодних тиристорах, які є найбільш вживаними, управління станом приладу здійснюється в колі третього - керуючого електроду. Триністор - це чотирьохшарова структура типу р-п-р-п з трьома переходами, в якому р-шар виконує функцію аноду, а п - шар - катоду, а керуючий електрод зв’язаний із р - шаром структури. Напруга живлення подається на тиристор таким чином, що та відкриті, а перехід - закритий. Опір відкритих переходів малий, тому майже вся напруга живлення U_пр прикладена до закритого переходу , який має великий опір. Звідси струм через тиристор дуже малий. При підвищенні напруги U_пр струм тиристора збільшується до деякого критичного значення, яке рівне напрузі переключення U_пер. Після цього починається лавиноподібне збільшення струму через тиристор.Для зменшення напруги переключення на керуючий електрод подають напругу і струм керування Ікр дозволяє тиристору переключитися при меншій напрузі.

 

Рисунок 1.64 - Структурна схема (а) і вольт-амперна характеристика (б) триністора

 

 

19. Плівкові резистори гібридних ІМС: типи, конфігурація, основні параметри. Плівкові резистори створюють на діелектричній основі або діелектричній плівці, нанесеній на металеву, напівпровідникову або діелектричну основу. При виготовленні плівкових резисторів на підкладку наносять резистивні плівки. Якщо опір резистора не повинний бути дуже великим, то плівка робиться зі сплаву високого опору, наприклад із ніхрому.

 

Рисунок 1. Контрукція плівкових резисторів.

Плівкові резистори (рис. 1) складаються з резистивної смужки 1 простої або складної форми та двох чи більше виводів 2 для приєднання до інших елементів мікросхеми. Найтехнологічнішими конструкціями є конструкція у вигляді послідовно з'єднаних резистивних смужок (рис. 1а) та на зразок меандру.Параметри; Питомій опір:

Для низькоомних резисторів в опір резистора потрібно враховувати також опір двох контактних переходів, тому опір плівкового резистора визначають за формулою:

 

 

20. Плівкові конденсатори гібридних інтегральних мікросхем: типи, структура, основні параметри, вимоги до матеріалу діелектрика, формула для розрахунку ємності. Плівкові конденсатори (рис. 1) складаються з двох провідникових обкладок 1, 2(переважно з алюмінію), розділених діелектриком 3, які перекриваються. У залежності від товщини діелектрика плівкові конденсатори бувають тонко- та товстоплівковими. Діелектрик плівкового конденсатора повинен відповідати наступним вимогам: бути ізолюючим матеріалом, здатним утворювати непористі плівки; мати високу адгезію до матеріалу підкладки; бути стійким до змін температури; мати пробивну напругу 100 - 200 В;температуру випаровування 1000 - 1200 оС; бути сумісним з матеріалом обкладинок.

 

Рисунок 1 Будова плівкових конденсаторів простого та гребінчатого типу.Конструкцію конденсатора формують на діелектричній основі або на ізоляційному шарі. Як діелектрик для плівкових конденсаторів використовують різні діелектричні матеріали з питомою ємністю 10 - 1000 пФ/мм2, які наносять на поверхню вакуумними методами. Це дає змогу створювати конденсатори ємністю 20 - 1000 пФ з достатньою добротністю і робочою напругою 6 - 50 В.Ємність плоского плівкового конденсатора визначають за формулою

де  - діелектрична проникність матеріалу діелектрика; d- товщина діелектрика (0,2-0,3 мкм); S - площа перекриття обкладинок; С0 = (0/d) - питома ємність діелектрика; СP - питома периметрична ємність, спричинена крайовим ефектом; Р - периметр перекриття обкладинок. Ємність гребінчатого конденсатора може бути розрахована за формулою:

де βС - коефіцієнт,що залежить від ширини плівкових провідників та відстані між ними.