Электронные и микроэлектронные приборы icon

Электронные и микроэлектронные приборы



НазваниеЭлектронные и микроэлектронные приборы
Дата конвертации12.07.2012
Размер264.39 Kb.
ТипРеферат
Электронные и микроэлектронные приборы


Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Московский государственный открытый университет Реферат Электронные и микроэлектронные приборы Студента 2 курса заочного отделения ФАРЭ 1998г. Задание. Изложить процессы окисления кремния в порах воды и в сухом кислороде. Какие существуют типы резисторов полупроводниковых ИС? Дать ихсравнительную характеристику. Нарисовать принципиальную схему элемента КМОП-логики. Пояснить принцип действия и область применения. Опешите принцип действия и устройство тетрода. В чем назначение второй сетки тетрода? Виды тетродов. 1. Процессы окисления кремния в парах воды и в сухом кислороде Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам двуокиськремния находит широкое применение на различных стадиях изготовления СБИС.Слои SiO2 используется как: 1. маска для диффузии легирующих примесей 2. для пассивации поверхности полупроводников 3. для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга 4. в качестве подзатворного диэлектрика 5. в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве КМОПэлементов памяти 6. в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией 7. как составная часть шаблона для рентгеновской литографии Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика,следует выделить то, что SiO2 является "родным" материалом для кремния,легко из него получается путем окисления, не растворяется в воде, легковоспроизводится и контролируется.Термическое окисление кремния Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине засчет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводникаатомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, скоторой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи дотемпературы T = 900 - 1200 С. Окислительной средой может быть сухой иливлажный кислород. Схематичновид установки показан на рис. 1. [pic] Рис. 1.Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины,соответствует одному из следующих уравнений: окисление в атмосфере сухого кислорода: Siтверд.+ O2 = SiO2 окисление в парах воды: Siтверд.+2H2O = SiO2 + 2H2.Окисление происходит гораздо быстрее в атмосфере влажного кислорода,поэтому его используют для синтеза более толстых защитных слоев двуокисикремния.Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счетдиффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO2 за границы начальногообъема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями. Физикатермического окисления может быть объяснена с помощью достаточно простоймодели Дила-Гроува, поясняемой с помощью рис. 2. [pic] Рис. 2. Процесс окисления происходит на границе Si - SiO2, поэтому молекулыокислителя диффундируют через все предварительно сформированныеслои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе.
Согласно закону Генри, равновесная концентрация твердой фазыпрямо пропорциональна парциальному давлению газа P:C*=HP, где C*- максимальная концентрация окислителя в газе для данного значениядавления P, H - постоянный коэффициент Генри.В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого теламеньше, чем C*.Поток F1 определяется разностью между максимальной и реальной поверхностнойконцентраций окислителя:F1=h(C*-C0), где C0 - поверхностная концентрация окислителя, h - коэффициент переноса.Значение концентрации окислителя C0 зависит от температуры, скоростигазового потока и растворимости окислителя в SiO2. Для того чтобы определить скорость роста окисла, рассмотрим потокиокислителя в объеме окисла (F2) и на его границе с кремнием (F3).Согласно закону Фика, поток через объем окисла определяется градиентомконцентрации окислителя:F2=-D(dC/dz)=D(C0-Ci)/z0, ( 1 ) где Ci - концентрация окислителя в молекулах на кубический сантиметрпри z = z0, D - коэффициент диффузии при данной температуре, z0 - толщина окисла.Величина потока (F3) на границе окисла с полупроводником зависит отпостоянной K скорости поверхностной реакции и определяется как:F3=kCi ( 2 )При стационарных условиях эти потоки равны, так что F3 = F2 = F1 = F.Следовательно, приравняв соотношения ( 1 ) и ( 2 ), можно выразитьвеличины Ci и C0 через C*:[pic] (3)Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим уравнениепотока на границе SiO2 - Si в следующей форме:[pic] (4)Скорость роста окисла определяется потоком (F3) и количеством молекулокислителя (Ni), необходимым для образования окисла в единичном объеме.Поскольку концентрация молекул SiO2 в окисле равна 2,2*1022 см-3, то дляполучения двуокиси кремния требуется концентрация молекул кислорода равная2,2*1022 см-3 или концентрация молекул воды 4,4*1022 см-3.Соотношение между величинами z0 и t определяется интегралом[pic]Следовательно, для малых времен окисления толщина окисла определяетсяпостоянной скорости поверхностной реакции K и прямопропорциональна времениокисления (8). Для больших времен окисления скорость роста зависит отпостоянной диффузии D (9), а толщина окисла пропорциональна корнюквадратному из времени процесса. Отметим, что наиболее часто используетсятолщина окисла, составляющая десятые доли микрона, а верхний предел потолщине для обычного термического окисления составляет 1 - 2 мкм.Значительным достижением последнего времени явилось добавление вокислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов. Этопривело к улучшению стабильности порогового напряжения полевых МДП -транзисторов, увеличению напряжения пробоя диэлектриков и повышениюскорости окисления кремния. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния(обычно с концентрацией хлора 1016 - 1020 см-3) заключается в превращениислучайно проникших в SiO2 примесных ионов, например, натрия или калия вэлектрически неактивные. Плазмохимическое окисление кремния Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключаетсяв формировании на их поверхности оксидных слоев при помещении в кислороднуюплазму образцов. Образцы могут быть изолированными (плазменноеоксидирование) или находиться под положительным относительно плазмыпотенциалом (плазменное анодирование). [pic] На рисунке изображена принципиальная схема установки дляосуществления процесса плазменного анодирования. Кислородная плазмавозбуждается в объеме 1 генератора плазмы.Существует несколько видов плазмы, отличающиеся способом возбуждения.Тлеющий разряд на постоянном токе. При этом в объеме 1 создается пониженное давление кислорода (обычно0.1--1 Торр) и между электродами 2 и 3 прикладывается постоянное напряжениеразряда Ud величиной внесколько сотен вольт.Дуговой разряд низкого давления. Катод 3 нагревается за счет пропускания через него тока накаливания.Вследствие чеготермоэмиссии электронов с поверхности катода облегчаетсяионизация газоразрядного промежутка, что приводит к снижению напряжения Udдо величины менее 100 В ВЧ разряд (радиочастотный разряд). Плазма возбуждается за счет поглощения ВЧ мощности генератора,связанного с объемом 1 либо индуктивно, либо емкостным способом ( ВЧнапряжение подается на пластины 2 и 3 ). СВЧ разряд (микроволновый разряд). Плазма возбуждается при поглощении СВЧ мощности генератора,согласованного с объемом 1 с помощью волновода. Анодируемый образец 4 находится под положительным относительно плазмыпотенциалом fа (потенциалом формовки), который подается на образец черезспециальный контакт. При этом величина (а может быть отрицательнойотносительно земли, поскольку равновесный потенциал плазмы отрицателен.Внешняя поверхность оксида в результате взаимодействия с плазмойприобретает "стеночный" потенциал fb,как правило, отрицательный относительно потенциала невозмущенной плазмы (п.Если образец изолирован от внешней электрической цепи (плазменноеоксидирование), то его поверхность приобретает "плавающий" потенциал (f.Наличие анодного потенциала fа на образце вызывает протекание через негоанодного тока Ia (или тока формовки), который состоит из ионнойсоставляющей Ii, вызывающей рост оксида, и электронной составляющей Ie. Чембольше доля ионного тока, тем эффективнее протекает рост плазменныхоксидов. Свойства плазменных окислов кремния. Кремний является наиболее хорошо исследованным материалом электроннойтехники. Основным процессом пассивации поверхности кремниевых пластинслужит термическое окисление. Однако по мере перехода к изготовлениюсверхбольших и сверхбыстродействующих интегральных схем (ССБИС ) возникаетнеобходимость в снижении температуры окислительных обработок с 1400 до900...1100 К, при которых отсутствует неконтролируемая термодиффузияпримесей и другие побочные эффекты, стимулируемые высокой температурой. Всвязи с этим внимание исследователей начинают привлекать процессыплазменного анодирования и окисления кремния. В работах японских,американских, французских и других исследователей получены пленкиплазменного диоксида кремния, по своим параметрам не уступающие лучшимтермическим образцам, а по электрической прочности и превосходящие их. Плазменные оксиды кремния независимо от способа получения представляютсобой стехиометрический диоксид кремния SiO2. Их структура являетсяаморфной, а свойства приближаются к параметрам пленок SiO2, полученныхметодом термического окисления кремния. Плазменные оксиды, будучисформированными при существенно более низких температурах, не обладаютдефектами упаковки, не создают механических напряжений на границах разделаоксид - подложка и в ряде случаев имеют более совершенную структуруграницы. Термические пленки SiO2, сформированные при больших скоростяхокисления, содержат кластеры кремния размером 2...3 нм. В то же времяплазменные оксиды, сформированные даже при более высоких скоростях, неимеют подобнных дефектов на границе раздела Si - SiO2, в них не наблюдаетсятакже эффект перераспределения примеси при окислении. Вольт-амперные характеристики оксидов туннельных толщинхарактеризуются механизмом проводимости, соответствующим эмиссии Фаулера-Нордгейма при напряженности электрического поля в оксиде свыше 6.5 МВ/см.Измерения электрофизических свойств оксида, полученного плазменнымоксидированием кремния при одновременной подсветке поверхности лазером сдлинной волны, соответствующей возбуждению связи Si-Si показали, что оксидобладает на два порядка меньшей плотностью поверхностных состояний, чемтрадиционные анодные оксиды, и оответствует лучшим термическим пленкамдиоксида кремния. Пиролитическое осаждение кремния из газовой фазы В технологии интегральных схем применяются металлические идиэлектрические пленки, изготавливаемые различными методами. Однако, всвязи с дальнейшей миниатюризацией СБИС и использованием различныхполупроводников в качестве подложек необходимо разработать новые методыизготовления пленок с еще меньшей толщиной, плотностью дефектов и большейоднородностью. Требуется также максимально увеличить число пластин, которыемогут быть обработаны в единицу времени (для снижения стоимости продукции),учесть возможные отрицательные последствия химических реакций между пленкойи подложкой, разогрев пленки в процессе формирования, а также возможностьповреждений при облучении. Рассмотрим пиролитический метод формирования пленок (метод химическогоосаждения из газовой фазы). Метод химического осаждения из газовой фазыоснован на использовании явления пиролиза или химических реакций приформированиипленок поликристаллического кремния или пленок различных изолирующихматериалов.На рис. 1 в разрезе показана установка формирования пленок методомхимического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении. На нагретомпьедестале (подставке) горизонтально располагаются пластины. Сверхупоступает газ, в атмосфере которого протекают химические реакции.Формирование пленки происходит при использовании химических реакций наповерхности пластины. Для обеспечения равномерности толщины пленки, газравномерно подводится к поверхности пластин.Температура по всей поверхности пластин должна поддерживаться одинаковой.Поэтому установки необходимо снабжать устройствами для вращения подставки,а также использовать системы подачи газа в соответствии с выбранной формойпьедестала. В качестве химически активного газа используют моносилан и кислород, ав качестве буферного газа - азот (обычно пьедестал и пластины соприкасаютсяи разогреваются). Внутри пьедестала имеется полость, предназначенная дляпредотвращения рассеяния тепла во внешнее пространство и обеспеченияравномерности температуры на пьедестале, что приводит к улучшениюравномерности по толщине пленки. Однако, поскольку пластины не плотноприлегают к пьедесталу, температура их поверхности неодинакова ивоспроизводимость результатов ухудшается. Кроме того, по мере увеличениядиаметра пластин их число в составе одной партии уменьшается, чтопрепятствует организации их массового производства и является существеннымнедостатком данного метода. Метод формирования пленок при нормальном давлении обладает и рядомдостоинств, к числу которых относится большая, чем для других методов,скорость формирования пленок, отработка конструктивной части установки.Данный метод может быть использован для формирования пленок при различныхусловиях. Установки сравнительно компактны и отличаются низкой стоимостью.Все это дает основание надеяться, что описанный метод будет применятся и вдальнейшем при внесении некоторых усовершенствований. Конструкция установки формирования пленок методом химическогоосаждения из газовой фазы при низком давлении показана на рис. 2. Впоследнее время главная роль отводится методу формирования пленок принизком давлении. Печь, в которой протекают химические реакции, аналогичнадиффузионной печи. Пластины в печи располагаются вертикально, расстояниемежду ними в горизонтальном направлении может быть выбрано равнымнескольким миллиметрам. Результаты не зависят от диаметра пластин. В одной обрабатываемой партии может быть 200 пластин. Длина свободногопробега при низком давлении (обычно 65,5 - 13,3 Па) для молекул химическиактивных газов в 1000 - 1500 раз больше, чем при нормальном (105 Па).Вследствие высокой скорости диффузии химически активных газов распределениеконцентрации газов в печи равномерно. Кроме того, при таком способеразогрева пластин, как показано на рис. 2, температура на поверхностикаждой пластины и между пластинами распределяется равномерно, авоспроизводимость результатов обработки весьма высокая. Сочетание этого фактора с равномерностью распределения концентрациихимически активных газов приводит к тому, что и при увеличении числапластин в партии равномерность толщины пленки существенно повышается посравнению с использованием метода химического осаждения из газовой фазы принормальном давлении. Большое достоинство данного метода состоит также втом, что при наличии на пластине ступенек, молекулы химически активныхгазов обтекают эти неровности и пленка повторяет форму пластины. Метод химического осаждения из газовой фазы при низком давлении широкоприменяется преимущественно для получения пленок поликристаллическогокремния и нитридов кремния. При попытках использования этого метода дляформирования других пленок возникает ряд проблем. Так, в случаеформирования защитных пленок фосфорсиликатного стекла (применяющихся длязащиты поверхности ИС) приходится считаться с зависимостью диаметра пластинот диаметра камеры, в которой производится обработка. Предпринималисьпопытки оптимизации этой зависимости с целью достижения наилучшейравномерности толщины пленок, но пока не удалось получить удовлетворительных результатов для практических применений. Например,для получения пленок, содержащих фосфор и мышьяк, в камеру наряду смоносиланом необходимо вводить в малых количествах такие газы, как фосфин иарсин, что приводит к существенному снижению скорости формирования пленок иухудшению равномерности пленки по толщине. Когда к равномерности распределения концентрации химически активныхгазов предъявляются жесткие требования, в конструкции установки,изображенной на рис. 2, необходимо существенно улучшить геометрию камеры,системы расположения пластин, а также усовершенствовать систему подачигаза. Поскольку в любом из вариантов метода осаждения из газовой фазыосуществляется пиролиз химически активных газов, формирование пленки должнопроводится при довольно высокой температуре по сравнению с методомтермического напыления. В частности , при формировании пленокполикристаллического кремния пластина должна быть разогрета до 600 - 650 С,а пленок нитрида кремния до 750 - 800 С. Таким образом, если нагрев пластиндо указанных температур по каким-либо причинам нежелателен, то возникаютопределенные трудности. Так, методы осаждения из газовой фазы не могут бытьиспользованы для формирования пленки Si3N4, обладающей практическиидеальными свойствами для защиты нтегральных схем, поскольку необеспечивают стабильность и хорошую воспроизводимость параметров. Особенности получения тонких пленок Под процессом окисления полупроводников понимают процесс ихвзаимодействия с окисляющими агентами: кислородом, водой, озоном и т.д. При определенных условиях скорость процесса окисления по мере ростаконцентрации окислителя уменьшается. Это явление часто называютпассивностью и связывают с образованием тонкой пленки окисла,препятствующей переносу окислителя или окисляемого вещества к реакционнойповерхности раздела. В 1958 г. Вагнер ввел понятие об активном и пассивномокислении, имея в виду в первом случае процессы, не связанные собразованием оксидных пленок на поверхности исходного материала. Пассивноеокисление отсутствует, когда выделяющиеся продукты реакции удаляются соскоростями, большими скорости их образования. В настоящее время процессы активного и пассивного окисленияполупроводников широко используются в технологии производства современныхполупроводниковых приборов при проведении операций химического или газовоготравления, эпитаксии, термического окисления и диффузии. При этом основноевнимание технологов и разработчиков сосредоточено на процессах пассивногоокисления, что объясняется первостепенной ролью пленок термическивыращенной двуокиси кремния в планарной технологии. Экспериментальные законы роста оксидных пленок Если кинетика процессаактивного окисления характеризуется в равновесии линейным законом, то вслучае пассивного окисления физическая картина процесса усложняетсяпроцессом переноса реагента к реакционной поверхности раздела сквозьрастущую пленку. При этом кинетикаокисления может быть аппроксимирована следующими законами: линейным Х(т)=К1*т; (1) параболическим Х2(т)=К2*т; (2) кубическим Х3(т)=К3*т; (3) логарифмическим Х(т)=К4*lg(В*т+1); (5) обратно логарифмическим K5/X(т)=А-lg(т) (6) Существование каждого из этих законов определяется условиямипроведения процесса окисления и свойствами исходного материала. КонстантыК1-К5 зависят от температуры, давления реагента и природы окисляемогоматериала. Часто экспериментально наблюдаемая кинетическая зависимостьподчиняется двум или нескольким приведенным выше законам. Так, например,при высокотемпературном термическом окислении кремния в кислороде кинетикапроцесса на начальном этапе следует линейной зависимости, которая затемплавно переходит в параболическую. При изучении экспериментальных данных по кинетике процессатермического окисления металлов и полупроводников в зависимости оттемпературы (см. таблицу 1), можно отметить следующее: при низких температурах, а значит, при малых результирующихтолщинах окисных пленок преобладающей является логарифмическая или обратнологарифмическая зависимость; при промежуточных температурах к ним добавляется кубическая илипараболическая закономерности; при высоких - кинетика процесса в подавляющем большинстве случаевследует параболическому линейному или смешанным линейно-параболическому илипаралинейному законам. Зависимость экспериментально наблюдаемых кинетических закономерностейот температуры процесса.Таблица 1. [pic]Впервые логарифмическая или экспоненциальная зависимость кинетики процессаокисления была экспериментально получена Тамманом, исследовавшим окислениеразличных металлов на воздухе при сравнительно низких температурах. Так какметодика Таммана была признана неверной, этой зависимости не уделяли почтиникакого внимания, пока Вернон, Акеройд и Страуд не подтвердили еепригодность к процессу окисления цинка при температурах ниже 350 С. Вдальнейшем логарифмический закон был применен для целого ряда металлов,включая магний, церий, железо, никель, цирконий, тантал и титан. Гораздо реже наблюдалась экспериментально обратно логарифмическаязависимость. Гарт, например, с ее помощью описал кинетику окисленияалюминия в кислороде при 200 С, а Робертс - кинетику окисления железа притемпературах от 0 до 1200 С. Нужно отметить, что при малых толщинах, а онив рассматриваемых случаях не превышали сотен ангстрем, экспериментальныеданные обязательно отличаются разбросом, так что трудно определить,укладываются они лучше на кривую логарифмической или кривую обратнологарифмической зависимости. Ознакомление с металлами, проявляющими сильную тенденцию к линейномуокислению, показывает, что такие металлы обычно образуют окислы, удельныйобъем которых по отношению к удельному обьему металла либо меньше единицы,как у калия (0.45), бария (0,67) и магния (0.81), либо в несколько разпревышает единицу, как у урана (2.27), ниобия (2.68), тантала (2.50),молибдена (3.30) и вольфрама (3.35). В отношении первой группы можносделать вывод о том, что окисел не способен образовывать когерентнуюпленку, благодаря чему процесс окисления проходит при непрерывном обнаженииповерхности металла. В то же время у металлов с большой величинойоотношения удельных объемов линейное или паралинейное окисление можетсопровождаться образованием растрескивающейся или пористой пленки,возможно, после начальной стадии окисления, на протяжении которой пленкаостается когерентной. Таким образом, хотя на пути обобщения любого правилаесть свои ограничения, все же величина объемного соотношения окисел-полупроводник служит определенным критерием защитной способности окисла. Параболический закон окисления был открыт Тамманом и не зависиомо отнего Пиллингом и Бедуортом. Экспериментально он наблюдается в подавляющембольшинстве случаев при высокотемпературном окислении металлов иполупроводников и является следствием объмной диффузии реагентов сквозьрастущую окисную пленку. Иногда выясняется, что результаты опытов поисследованию кинетики окисления металлов при промежуточных температурахможно с успехом аппроксимировать кубическим уравнением. Так обстоит дело сникелем при 400 С, титаном при 350-600 С и цирконием при 350-950 С. Можноотметить, что данная аппроксимация соответствует лишь определенномуинтервалу температур и является переходной формой между логарифмической ипараболической закономерностями. Теоретическое обоснование экспериментально наблюдаемых зависимостей. Для теоретического обоснования было разработано множество теорий,основанных на объемной диффузии заряженных частиц или нейтральных пар, атакже эффектах туннелирования электронов, нуклеации, кинетике адсорбции,образования ространственного заряда, изменении граничных концентрацийдиффундирующих частиц в зависимости от толщины пленки и многих других. К сожалению, ни один из указанных механизмов не способен полностьюобъяснить обширный класс имеющихся к настоящему времени экспериментальныхданных. Таким образом, основным вопросом, возникающим при рассмотрениипроблемы теоретического обоснования экспериментальных кинетических моделейпроцесса пассивного окисления, является вопрос о том, действительно ликинетика роста окисла определяется совокупностью целого ряда физическихпроцессов, каждый из которых применим лишь при вполне определенныхусловиях, либо подавляющее большинство экспериментальных данных может бытьотнесено к ограниченному числу предельных случаев одного и того же процессаили явления. Не углубляясь в рассмотрение самих моделей, укажем лишь, чтобольшинство из этих данных возможно описать в рамках единой модели,ограниченное число предельных случаев которой объясняло бы появление всехотмеченных выше кинетических закономерностей. Одной из таких моделей можносчитать модель Фромхолда, основанную на рассмотрении процессоводновременной макроскопической диффузии заряженных частиц (ионов иэлектронов) сквозь гомогенную окисную пленку в присутствии электрическогополя, созданного этими частицами (Fromhold A.T.-"J. Phys. Chem. Solids",1963, v.24, p. 1081-1089). Зависимость экспериментально наблюдаемых кинетических закономерностейот температуры процесса приведена в таблице 1. 2. Полупроводниковые резисторы Полупроводниковые резисторы – это резисторы, изготовленные на основеполупроводникового материала методами полупроводниковой технологии.Различают объемные и диффузионные полупроводниковые резисторы. Объемные резисторы получают путем создания омических (невыпрямляющих)контактов металла с полупроводником. При идеальных контактах удельноесопротивление (( такого резистора определяется объемными свойствамиполупроводника. Поскольку на практике используют легированные полупроводники, ихудельное сопротивление в случае полной ионизации примеси: (((=[q((Nд+]-1 при Nд >> Na (р(=[q(рNа-]-1 при Nа >> Nд Несмотря на простоту конструктивного и технологического исполнения,объемные резисторы не нашли широкого применения из-за большой занимаемойплощади и температурной нестабильности. Диффузионные резисторы формируют на основе диффузионных слоев, толщинакоторых намного меньше их ширины и длинны. Диффузионные резисторыизолированы от остального объема полупроводника p-n -переходом. Они могутбыть изготовлены одновременно с другими элементами при формированииструктуры полупроводниковых ИМС. Поэтому для реализации диффузионныхрезисторов в полупроводниковых ИМС используют те же диффузионные слои,которые образуют основные структурные области транзистора: базовую,эмиттерную, или коллекторную. Сопротивление диффузионного резистора R определяется удельнымсопротивлением полупроводникового слоя, его глубиной и занимаемойплощадью: [pic] [pic] ( 1 ) где (s -удельное поверхностное сопротивление слоя [pic] Диффузионные резисторы могут быть реализованы на основе любой изструктурных областей транзистора. Для их использования в ИМС на поверхностиструктурных областей создают омические контакты. Структура диффузионного резистора на основе структурных областейпланарно-эпитаксиального транзистора на рис. 2. Наиболее распространенны резисторы, сформированные на основе базовыхслоев. При этом достигается сочетание высокого сопротивления слоянеобходимого для уменьшения площади, занимаемой резистором и приемлемоготемпературного коэффициента.Рис. 2 Для получения диффузионных резисторовтребуемого сопротивления, определяемого по формуле (1), диффузионные слоиформируют в виде прямоугольника или змейки. В этом случае отношение l/bстремятся сделать по возможности большим. Для диффузионных резисторовхарактерно наличие паразитных элементов - распределенного конденсатора ираспределенного транзистора. Кроме диффузионных резисторов в полупроводниковых ИМС применяют резисторы на основе МДП-структуры. При этом в качестве резистора используют МДП-транзистор, работающий в режимах, наклонной области ВАХ. Использование МДП-структур в качестве резисторов позволяет реализовать целый ряд цифровых ИМС только на одних МДП-транзисторах. 3. Элемент КМОП - логики. В цифровых ИМС практическое применение получили полевые транзисторы соксидным диэлектриком, образующие контакт металл–оксид–полупроводник(КМОП). На рисунке 2 приведена принципиальная схема элемента ИЛИ–НЕ на двавхода, содержащая один нагрузочный (VT3) и два логических (VT1 и VT2)транзистора. U и.п. VT3 F (Выход) VT1 B (Вход 2) А (Вход 1) VT2 А 1 В F=A+B Рис. 3 Таблица 11|А |В |F ||0 |0 |1 ||1 |0 |0 ||0 |1 |0 ||1 |1 |0 | На рисунке 3 приведена схема логического элемента ИЛИ-НЕ. Она состоитиз двух логических VT1, VT2 и одного нагрузочного VT3 транзисторов. Принципработы (таб.1) заключается в следующем: При подаче на оба логических транзистора (входы А и В) логического 0они остаются закрытыми (IИС=0). Сопротивление перехода для Iи.п. велико,поэтому ток источника питания протекает через VT3 на выход схемы (контактF) формируя уровень логической 1. При подаче хотя бы на один из входовлогической 1 транзистор открывается, сопротивление перехода падает Iи.п.протекает на корпус тем самым на выходе схемы формируется уровеньлогического 0. Элементы КМОП-логики нашли широкое применение в микросхемотехнике. Набазе этих элементов строятся дешифраторы, триггеры, счетчики, регистры,сумматоры, умножители, элементы ПЗУ и т. д и т.п. 4. Принцип действия и устройство тетрода Развитие техники радиоприема, связанное с необходимостью усилениянапряжений высокой частоты, выявило один из основных недостатков триода.Было замечено, что усилители на триодах, предназначенные для этой цели,работают неустойчиво и не обеспечивают надежного усиления. Исследования показали, что причиной этого является наличие значительнойемкости между электродами лампы. Вопрос этот очень важен, поэтому на немстоит остановиться подробнее. Между любыми двумя проводниками, не соприкасающимися друг с другом,существует электрическая емкость. Две металлические пластины, разделенные промежутком, образуютконденсатор. Конденсатор, включенный в электрическую цепь, создаетнепреодолимое препятствие для постоянного тока, но для переменного токапредставляет лишь некоторое сопротивление. Чем больше емкость конденсатораи чем выше частота переменного тока, тем меньшее сопротивление представляетконденсатор его прохождению. Как мы уже видели, внутри лампы можноразличить три такие емкости: между сеткой и катодом, между сеткой и анодоми между анодом и катодом. Анализ работы лампы показывает, что наиболеевредна емкость между анодом и сеткой, обозначаемая обычно СAC. Вредное действие этой емкости можно понять, посмотрев на наши рисунки.Предположим, что лампа должна усиливать напряжение не звуковой, а высокойчастоты. На сетку лампы поступают слабые электрические колебания Uвх.Усиленные колебания этой же частоты, но с напряжением Uвых выделяются наанодной нагрузке. Если между анодом лампы и ее сеткой есть емкость Оде, точерез нее часть усиленного переменного напряжения будет передана из аноднойцепи обратно в сеточную. Это напряжение добавится к основному сигналу,действующему в .цепи сетки. Напряжение сигнала на входе как бы возрастает,вследствие чего увеличивается и напряжение, выделяющееся на аноднойнагрузке. Это в свою очередь приведет к передаче через емкость анод — сеткав сеточную цепь еще большего напряжения и т. д. В результате работа лампыстановится неустойчивой, может возникнуть самовозбуждение и лампа изусилителя колебаний превратится в генератор, т. е. в самостоятельныйисточник [pic]колебаний. Возникновение в усилителе самовозбуждения проявляется в видесильных искажений и свиста. Опасность неустойчивой работы усилителя будет тем больше, чем вышечастота переменного тока (тем меньшее сопротивление представляет для негоемкость) и чем больше усиление лампы. Это обстоятельство создало весьмасерьезные затрудненияприему и усилению слабых сигналов высокой частоты и заставило искатьспособы борьбы с вредным влиянием емкости сетка — анод трехэлектроднойлампы. Физика знает способы уменьшения емкости между двумя проводниками. Такимиспособами, например, является уменьшение размеров проводников,. образующихконденсатор, и увеличение расстояния между ними. Эти способы применялисьпри конструировании триодов, но значительного эффекта они не дали, потомучто чрезмерно уменьшать электроды по ряду соображений нельзя (например,уменьшение размеров анода приводит к необходимости снизить анодный токи,следовательно, все параметры лампы), а увеличению расстояний междуэлектродами кладут предел размеры лампы и ряд других причин. Наиболее удобным и легче всего осуществимым способом уменьшения емкости,оказалось экранирование. Сущность этого способа можно пояснить 'следующим примером. Пусть имеетсяцепь из конденсатора, источника переменного напряжения и измерительногоприбора. В такой цепи будет течь ток, величину которого отметитизмерительный прибор. Поместим теперь между пластинами конденсатора еще одну пластину иприсоединим ее к нашей схеме в точке б. Когда это мы сделаем, то заметим,что стрелка прибора установилась на нуле: тока в цепи прибора не стало. Объясняется это тем, что ток теперь потечет по другому, более короткомупути — через емкость между левой и средней пластинами и далее *по проводуа—б. Путь переменного тока [pic]в обоих случаях показан стрелками. В правой части схемы, где находитсяизмерительный прибор, тока не будет, она окажется как бы замкнутойнакоротко проводом а—б. Это равносильно уничтожению емкости междупластинами конденсатора. Третья пластина явилась экраном, который свелемкость конденсатора к нулю. Важно то, что такой экран не должен бытьобязательно сплошным. Его можно выполнить, например, в виде достаточногустой сетки—экранирующее действие при этом не изменится. Подобный экран можно применить и в электронной лампе. Для этогодостаточно ввести в нее вторую сетку—спираль, поместив ее между анодом иосновной сеткой. Эту дополнительную сетку называют экранной илиэкранирующей, а основную— управляющей, так как ее напряжение управляетанодным током. Введение экранирующей сетки приводит к резкому уменьшению емкости междуанодом и управляющей сеткой, вследствие чего исключается опасностьпроникания усиленного напряжения из цепи анода обратно в цепь сетки истановится возможным получение устойчивого усиления колебаний высокойчастоты. Лампы, имеющие экранирующие сетки, называются экранированными или—почислу электродов—тетродами («тетра» по-гречески—четыре). Экранирующая сетка должна быть конструктивно выполнена так, чтобы,уменьшая емкость между управляющей сеткой и анодом, она в то же время несоздавала препятствий электронам в их движении к аноду. Это вполнеосуществимо, так как расстояние между витками экранирующей сетки, конечно,не может идти ни в какое сравнение с размерами электрона. Но действие экранирующей сетки не ограничивается уменьшением вредной,или, как ее часто называют, паразитной емкости между управляющей сеткой ианодом. Экранирующая сетка одновременно позволяет значительно улучшитьпараметры лампы и в первую очередь повысить ее коэффициент усиления. Объясняется это тем, что на пути электронов к аноду появляется еще однапреграда — дополнительная сетка, значит, действие анода на электроныуменьшается, а чем меньше действие анода на электронный поток по сравнениюс действием управляющей сетки, тем больше коэффициент усиления.На это как будто бы можно возразить, что и у триода можно получить оченьбольшой коэффициент усиления. Мы уже говори- [pic]ли, что чем гуще управляющая сетка лампы, тем больше коэффициент усиления.Следовательно, надо делать сетку очень густой, тогда и коэффициент усилениябудет очень большим. На самом деле это не так. В действительности у триода почти невозможносделать коэффициент усиления больше 100, и вот почему. Коэффициент усиления ( показывает, во сколько раз напряжение на сеткедействует на анодный ток сильнее, чем напряжение на аноде. Если (=10, тоэто значит, что изменение напряжения на сетке на 1 в действует так же, какизменение на аноде на 106. Подав на анод этой лампы напряжение, например,1506, мы создадим в ее анодной цепи некоторый ток. Поскольку 1 в на сеткелампы действует также, как 10 в на аноде, то очевидно, что, подав насетку—15 в, мы совершенно прекратим анодный ток; отталкивающее по отношениюк электронам действие сеточного напряжения уравновесит притягивающеедействие анода.Если бы коэффициент усиления лампы был больше, например равнялся 30, тоанодный ток прекратился бы при напряжении на сетке—5 в, а при (=100 дляпрекращения анодного тока потребовалось бы подать на сетку всего—1,5 в. Для работы усилительной лампы используется, как мы видели, участокхарактеристики между нижним перегибом и точкой, соответствующей нулевомунапряжению на сетке. В триоде с большим (и этот участок будет совсем мал:при (=100 он окажется в лучшем случае немногим больше, чем 1 в. Значит, ксетке такой лампы нельзя подводить переменные напряжения с амплитудойбольше чем 0,5 б, так как в противном случае колебания попадут в областьсеточного тока и на перегиб характеристики, что приведет к искажениям. Этообстоятельство очень ограничивает возможности использования триодов сбольшим (. [pic] Каталось бы, что их удобнее всего применить для усиления высокой частоты,поскольку напряжение сигналов высокой частоты при радиоприеме всегда бываеточень мало. Но тут возникает препятствие в виде емкости анод— сетка,которая особенно сильно сказывается при усилении именно высоких частот, апри усилении низких частот, когда вредное действие емкости анод — сеткасказывается меньше, переменные напряжения обычно бывают довольнозначительными. Введение в лампу экранирующей сетки разрешает эту трудность. Мы до сих пор говорили только о том, что экранирующая сетка находитсямежду управляющей сеткой и анодом, но не касались вопроса о том, с чем жесоединена эта сетка. Для того чтобы она выполняла только функции экрана, еедостаточно было бы соединить с катодом, т. е. с нулевой точкой схемы,относительно которой определяется напряжение всех остальных электродов. Нопри этом, как и у триода с большим ц, можно использовать только очень малуючасть характеристики лампы, что невыгодно.Но можно присоединить экранирующую сетку иначе—подать на нее положительноенапряжение. Картина при этом резко изменится. Анод, отделенный от катодадвумя сетками, сам по себе будет оказывать слабое притягивающее действие наэлектроны. Но экранирующая сетка будет помогать ему в этом. Приположительном напряжении на экранирующей сетке электроны получатдополнительное ускорение и устремятся к экранирующей сетке. Напряжение наней Uэ можно сделать меньше, чем на аноде Uа. Тогда электроны,приблизившись к экранирующей сетке и приобретя при этом достаточнуюскорость, испытают сильное притяжение анода и полетят к нему. Небольшоеколичество электронов окажется при этом притянутым экранирующей сеткой иобразует в ее цепи некоторый ток. ' Таким образом, экранирующая сетка способствует увеличению анодного тока.Если осуществление в триодах большого коэффициента усиления приводит крезкому уменьшению возможного для использования участка характеристики, тоэкранирующая сетка, способствуя, с одной стороны, увеличению коэффициентаусиления, увеличивает в то же время анодный ток и этим как бы сдвигает всюхарактеристику лампы влево, позволяя использовать для усиления ее большийучасток. Благодаря этому тетроды могут иметь очень большой коэффициент усиления,доходящий до 500—600, т. е. во много раз больше, чем у триодов. Поэтому отусилительного каскада с тетродом можно получить значительно большееусиление, чем от каскада с триодом. На экранирующую сетку обычно подается напряжение, примерно вдвое меньшееанодного. Эта сетка играет вспомогательную роль, и ток в ее цепи неиспользуется. Тетроды такого типа в основном применялись для усиления высокой частоты.Большой коэффициент усиления и малая величина емкости управляющаясетка—анод позволяют очень эффективно использовать их для этой цели. Экранированные лампы явились значительным шагом вперед по сравнению стрехэлектродными. У нас раньше выпускались тетроды СО-124. СБ-154 и др.Однако практика использования тетродов выявила крупный недостаток,препятствовавший расширению их применения. Мы отмечали, что экранирующая сетка, находящаяся под достаточно большимположительным напряжением (обычно порядка 50—70 в), сообщает электронам,образующим анодный ток, дополнительную скорость. Электроны, летящие с оченьбольшой скоростью, с такой силой ударяются о поверхность анода, чтовыбивают из атомов металла анода другие электроны. Один электрон, имеющийдостаточно большую скорость, может выбить из анода несколько электронов.Ударяющийся об анод электрон принято называть первичным, а выбитые имэлектроны — вторичными. Каким же образом появление вторичных электронов может отозваться наработе лампы? Выбитые из анода вторичные электроны имеют неодинаковые скорости.Электроны, получившие небольшую скорость, под влиянием притяженияположительно заряженного анода быстро теряют ее и падают обратно на анод.Такие электроны не удаляются на большое расстояние от анода, и их появлениене сказывается на работе лампы. Но какая-то часть вторичных электронов получает в результате ударабольшую скорость, дающую им возможность достаточно удалиться от анода иприблизиться к экранирующей сетке настолько, что ее притяжение превыситпритяжение анода, В итоге эти электроны будут притянуты экранирующейсеткой. В результате в лампе образуются два тока: один — нормальный анодный ток,образованный электронами, вылетевшими из катода, и второй—образованныйвторичными электронами, выбитыми из анода, и имеющий противоположноенаправление. Этот ток обратного направления иногда называют динатроннымтоком, поскольку явление выбивания из анода вторичных электронов известнопод названием динатронного эффекта. Динатронный ток, как имеющий обратное направление по отношению к анодномутоку, вычитается из него. Динатронный эффект приводит к уменьшениюанодного тока лампы. Так как каждый первичный электрон может приизвестных условиях выбить несколько вторичных,' то при некоторыхсоотношениях напряжений на аноде лампы и ее экранирующей и управляющейсетках динатронный ток может сравняться по величине с «прямым» аноднымтоком и даже превысить его. У лампы, работающей в таком режиме, уменьшениеотрицательного напряжения на управляющей сетке будет сопровождаться неувеличением анодного тока, а его уменьшением (из-за возникновения дина-тронного эффекта). В результате возникнут сильные искажения и можетначаться самовозбуждение каскада, т. е. превращение усилительного каскада вгенераторный. Способ устранения неприятных последствий динатронного эффекта очевиден:надо не допускать вторичные электроны принижаться к экранирующей сетке.Осуществить это можно введением в лампу еще одной—третьей по счету сетки. Третья сетка располагается между анодом и экранирующей сеткой исоединяется с катодом. Поскольку отрицательный полюс источника напряжениясоединен с катодом, то третья сетка оказывается заряженной отрицательноотносительно анода. Поэтому выбитые из анода вторичные электроны будутотталкиваться этой сеткой обратно к аноду. В то же время, будучи достаточноредкой, эта сетка не препятствует лететь к аноду электронам основногоанодного тока. Эта третья сетка защищает лампу от возникновения дина-тронного эффекта ипоэтому называется защитной или противодинатронной. Иногда ее называютпентодной сеткой. 1 Логический 0 соответствует 0 вольт, логическая 1 соответствует Uи.п.-----------------------[pic]




Похожие:

Электронные и микроэлектронные приборы iconУтверждаю
Дисциплина «Электронная техника» является специальной дисциплиной, в которой изучаются электронные приборы, усилительные, преобразовательные,...
Электронные и микроэлектронные приборы iconПрограмма-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 11. 07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» по техническим и физико-математическим наукам Введение
Настоящая программа разработана на основе базовых дисциплин: физика; основы оптики; оптические и оптико-электронные приборы и системы;...
Электронные и микроэлектронные приборы iconПриказ Министерства образования и науки РФ от 14 января 2011 г. N 17 "Об утверждении и введении в действие федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки (специальности) 200401 Электронные и оптико-электронные приборы и систем
Об утверждении и введении в действие федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования...
Электронные и микроэлектронные приборы iconПолупроводниковые приборы и электронные лампы

Электронные и микроэлектронные приборы iconОптико-электронные приборы и их применение

Электронные и микроэлектронные приборы iconПрограмма-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 27. 02 «Вакуумная и плазменная электроника» по физико-математическим и техническим наукам Введение
В основу настоящей программы положены следующие вузовские дисциплины: основы вакуумной электроники; физические основы электронной...
Электронные и микроэлектронные приборы iconПрограмма дисциплины «Методы математической физики»  для специальности 210105. 65 «Электронные приборы и устройства»

Электронные и микроэлектронные приборы iconПрограмма дисциплины «Моделирование и проектирование электронных приборов»  для специальности 210105. 65 «Электронные приборы и устройства»

Электронные и микроэлектронные приборы iconПрограмма дисциплины «Моделирование и проектирование электронных приборов»  для специальности 210105. 65 «Электронные приборы и устройства»

Электронные и микроэлектронные приборы iconПрограмма дисциплины «Лазерные информационные и управляющие системы» для специальности 210105. 65 Электронные приборы и устройства

Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы