Первый билет

• Название: Первый билет
• Дата: 14.02.2023
• Размер: 2.86 Mb.
• Имя файла: Elektronika_shpora.docx
• Тип: Документы; #937160
• страница: 3 из 16

Третий билет

3. Электропроводность собственного и примесного полупроводника. Зависимость электропроводности от температуры:

Способность вещества пропускать ток называется электропроводностью. Электропроводность определяется, главным образом, плотностью концентрации, или просто концентрацией подвижных носителей – их количеством в единице объёма.

Электропроводность полупроводников

В физике полупроводников вместо понятий ток I и напряжение U удобнее пользоваться понятиями плотность тока J [А/м2] и напряжённость поля E[В/м].В этом случае закон Ома имеет вид: J=E/ρ (3) или J=σE, (4) где ρ – удельное сопротивление [Ом/м], σ – удельная проводимость [См/м]. Очевидно, что электропроводность полупроводника тем больше, чем больше заряд свободных электронов и дырок –q и q, чем больше их концентрации n, пpичем быстрее они способны двигаться под действием электрического поля: σ=q(µnn+µpp) (5) Здесь µn и µp -коэффициенты подвижности свободных электронов и дырок–средние скорости их движения под действием электрическогополяснапряжённостью1В/м. Подстановка(5)в(4)даёт: J=q(µnn+µpp)E (6) Электронная и дырочная составляющие плотности тока складываются, так как противоположны и направления движения свободных электронов и дырок изнакиих зарядов. Средняя скорость электронов (следовательно, и дырок) относительно невелика из-за столкновений электронов с атомами кристаллической решётки. При столкновениях часть кинетической энергии движущихся электронов передается атомам, чем вызывается выделение тепла в любой проводящей среде при протекании в ней тока. Электропроводность собственного полупроводника быстро (экспоненциально)растёт с увеличением температуры, так как при этом усиливается термогенерация электронно-дырочных пар и растёт их концентрация.

18. Статические характеристики МДП транзисторов. Параметры МДП-транзисторов: пороговое напряжение, удельная крутизна, паразитные ёмкости:

Статические характеристики МДП-транзистора

Статическими характеристиками называю графики зависимости одних постоянных напряжений и токов электронных элементов и цепей от других их напряжений и токов. Примерами статических характеристик являются ВАХ диода Шотки или p-n диода. Транзистор всегда включается как четырёхполюсник, имеющий вход и выход. Входные характеристики связывают входные напряжения и токи, выходные характеристики связывают выходные напряжения и токи. Проходные, или переходные характеристики связывают входные токи или напряжения с выходными. Примером статической характеристики является проходнаяхарактеристикаМДП-транзистора,рис.25. Она соответствует


Рис.25

зависимостям (34). Т.к. она связывает ток стока и напряжение на затворе, её называют так жестоко- затворной характеристикой.

На рис.25штриховойлиниейизображенатакжестоко-затворная характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа. В таком транзисторе пороговое напряжение отрицательное, канал существует при отрицательных Uзи.

На рис. 26 изображены выходные характеристики МДП-транзистора.




Рис.26

Они отражают зависимость выходного тока Iс от выходного напряжения Uси. Этот ток зависит ещё и от входного напряжения Uзи. Поэтому выходные характеристики обычно изображаются в виде семейства характеристик. Каждая из характеристик семейства соответствует некоторому неизменному Uзи. В результате семейство характеристик отображает обе важнейшие зависимости:Iс=f1(Uси)иIс= f2(Uзи).

Выходные характеристики МДП-транзисторов имеют два характерных участка. Первый участок соответствует малым значениям Uси. В этой области канал по всей своей длине одинаков, его сопротивление Rк определяется только неизменным значением Uзи и поэтому Rк=const. При неизменном сопротивлении зависимость тока в канале Iс от напряжения на канале Uси подчиняется закону Ома. Отсюда название этого участка – омический, или резистивный. Он представляет собой отрезок прямой из начала координат.

С дальнейшим увеличением Uси форма канала начинает изменяться,рис.27.Потенциал истока в схеме с общими стоком равен нулю и неизменен. Поэтому разность потенциалов затвор-канали сила поля вблизи истока также неизменны. Канал здесь сохраняет исходную толщину и концентрацию свободных электронов. Вблизи стока,потенциал которого равен Uси, разность потенциалов затвор канал равна Uзи- Uси. Поэтому с ростом Uси поле затвора




Рис.27

здесь ослабевает. Канал вблизи стока становится тоньше, Rк увеличивается. Омический участок характеристики сменяется участком насыщения. Ток стока не уменьшается, так как одновременно растет напряжение между стоком и истоком, увеличивающее скорость

дрейфа носителей по каналу. При дальнейшем повышении Uси произойдет пробой p-n-прехода сток- подложка, и это приведет к резкому повышению тока стока за счет обратного лавинного тока перехода.

Такие же по форме выходные характеристики имеют МДП транзисторы со встроенным каналом, рис.28. Они находят ограниченное применение из-за необходимости затрачивать энергию на поддержание состояния отсечки транзистора изготовления дополнительного n-слоя между истоком и стоком. Этот слой выполняет функцию канала, который существует в таком транзисторе и при Uзи

=0.Какивтранзисторахсиндуцированным каналом, в МДП транзисторах со встроенным каналом в зависимости от напряжения на затворе наступает обогащение или обеднение канала. При достаточно сильном обеднении,


т.е. при Uзи< U0,наступаетрежиминверсииполупроводникапод затвором. Канал исчезает, транзистор запирается. Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа изображена на рис.29.Здесь же штриховая линия соответствует p канальному варианту транзистора

Основные параметры МДП-транзистора
Основным средством описания электрических свойств МДП-транзистора является система параметров. Параметры используются, в частности, при компьютерном моделировании, являющимся главным

«инструментом» разработки, изготовления и эксплуатации электронных устройств.

Одним из главных параметров МДП-транзистора является пороговое напряжение U₀. От него зависит напряжение, мощность, размеры и стоимость источника питания МДП интегральных схем и отдельных МДП-транзисторов. Стоимость, размеры и масса источника может достигать половины этих характеристик самого электронного устройства (например, батареи гаджета).

Пороговое напряжение определяется свойствами материалов МДП-структуры и её главным размером – толщиной диэлектрического слоя d:

U₀  _МП
С_{0
C }  ₀ _д
, (32)

(((сразу подставить сюда ⁰ _d )))

Где  _МП–контактная разность потенциалов металл – полупроводник;

d–толщина диэлектрика;

q–элементарный электрический заряд;

^ ₀ – абсолютная электрическая постоянная;

^_П ^,_д– относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика;

N–концентрация примеси в полупроводнике.

Большинство величин в (32) диктуются общими особенностями современной технологии – выбором типа полупроводника (кремний), диэлектрика (SiO₂), металла (алюминий). Поэтому основным способом ^{уменьшения U}0 ^{является уменьшение d. На сегодня d составляет доли нанометра , т.е. всего несколько} межатомных расстояний. В результате достигнуты U₀ ≈0,5 В. Это позволяет использовать источники питания с напряжением менее 1 В.

Другим важнейшим параметром МДП-транзистора является барьерная ёмкость затвор-канал C_зк: C_зк= ε₀ε_дS/d = ε₀ε_дWL/d, (33)

где S – площадь затвора, W и L – ширинаи длиназатвора.

От C_зкзависит времяотпирания и запирания транзистора, т.е. его импульсные и частотные свойства. Поэтому W и L должны быть минимизированы. Однако это противоречит обеспечению необходимого тока в канале I_с. В мощных МДП-транзисторах это противоречие разрешается увеличением W до нескольких метров, чем увеличивается площадь поперечного сечения канала и понижается плотность тока в нём.

Примером мощного МДП-транзистора является транзистор……… у которого I_{c макс} = 10 А, W = 2 м, L = 1 мкм. Проблема столь большой ширины канала в таких транзисторах решается изготовлением канала в форме меандра, рис. 24. Здесь изображены виды сверху на МДП-транзисторы с

обычным (а) и увеличенным (б) отношением W/L.

Важным параметром является также удельная крутизнаB [А/В²]. Она характеризует усилительные свойства МДП транзистора – зависимость полезного выходного тока I_с от входного напряжения U_зи. В первом приближении эта зависимость описывается двумя уравнениями:
I_с = 0,5B(U_зи - U₀)², при U_зи>U₀ (открытое состояние)

(34)

I_с = 0, при U_зи0 (закрытое состояние)




Рис. 24

Очевидно, что ток в канале I_с тем больше, чем больше коэффициент подвижности носителей в канале µ, его ширина W и проницаемость диэлектрика ε_дε₀. Естественно также, что I_с уменьшается с увеличением толщины диэлектрика d (слабеет поле) и увеличением длины канала (растёт его сопротивление). Поэтому
B = µε_дε₀W/d·L (35)
Главный коэффициент, характеризующий усиление электронных элементов и устройств – коэффициентусиления по мощностиК_р= Р_вых/Р_вх. У МДП-транзисторов К_рможет быть очень большим. Это связано с тем, что вход транзистора, затвор отделён (изолирован) от канала диэлектрическим слоем. При постоянном входном напряжении U_зи входного тока I_з практически нет и Р_вх = U_зиI_з ≈ 0. Однако при переменном входном напряжении из-за наличия ёмкости затвор-канал появляется комплексный входной ток. Этот ток и, следовательно, входная мощность тем больше, чем быстрее изменяется U_зи при отпираниях и запираниях транзистора или чем выше частота усиливаемого сигнала.

33. Фотолитография. Факторы, ограничивающие минимальный топологический размер:

Фотолитография — процесс избирательного травления поверхностного слоя оксида кремния с использованием защитной фотомаски с целью получения на поверхности подложки так называемой оксидной маски, которая используется для создания окон под избирательное легирование, а также контактных окон перед нанесением слоя металлизации.
Фотолитография выполняется после окисления поверхности подложки и получения на ее поверхности защитной пленки оксида кремния. Процесс фотолитографии включает несколько этапов:

• 
  подготовка поверхности,
  

• 
  нанесение фоторезиста,
  

• 
  совмещение подложки и фотошаблона,
  
• 
  экспонирование фоторезиста через фотошаблон,
  

• 
  проявление фоторезиста,
  

• 
  травление оксидного слоя в окнах фотомаски,
  

• 
  удаление фотомаски.
  

Минимальные размеры элементов в целом зависят от возможностей фотолитографического процесса, которые характеризуются тремя основными параметрами: 1) минимальным размером элемента, надежно воспроизводимым на полупроводниковой пластине, которым оценивается разрешающая способность процесса; 2) предельными отклонениями размеров элементов рисунка одного топологического слоя от номинальных; 3) предельным смещением рисунка одного топологического слоя относительно предыдущего (например, базового слоя относительно коллекторного, эмиттерного относительно базового и т. д.). Все эти параметры имеют характер технологических ограничений и учитываются при определении размеров областей в плане, т. е. при топологическом расчете. Основной тенденцией развития литографических процессов является повышение разрешающей способности этапа экспонирования рисунка.
Важнейшей причиной, ограничивающей минимальные размеры элементов при экспонировании через фотошаблон, является дифракция света. Поэтому стремятся использовать излучения с более короткими, чем световые, длинами волн (электронные, рентгеновские). В связи с этим все большее развитие получают электроно- и рентгенолитография.

48. Принципы построения интегральных схем запоминающих устройств:

Интегральная схема (микросхема) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала, накапливания информации и имеющее высокую плотность электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое.
Интегральная схема — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке)

и помещённая в неразборныйкорпус илибезтакового в случае вхождения в состав микросборки.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает

«компоненты для поверхностногомонтажа» (в отличие от компонентов для пайкивотверстиянаплате).

Технология изготовления

• 
  Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).
  
• 
  Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
  

• 
  толстоплёночная интегральная схема;
  
• 
  тонкоплёночная интегральная схема.
  
• 
  Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и(или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.
  
• 
  Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.