Электроника. Ч.2: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра технологии и дизайна радиоэлектронной техники

ЭЛЕКТРОНИКА Часть 2

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Ф а к у л ь т е т радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654200 – радиотехника 200700 – радиотехника Направление подготовки бакалавра 552500 – радиотехника

Санкт-Петербург 2004

2

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.38(07) Электроника. Ч. 2: Методические указания к выполнению лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2004.- 29 с. Методические указания к выполнению лабораторных работ разработаны в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654200 - «Радиотехника» (специальность 200700 – «Радиотехника») и направлению подготовки бакалавра 552500 – «Радиотехника». Методические указания к лабораторным работам способствуют лучшему усвоению отдельных разделов дисциплины. Описание лабораторных работ включает в себя постановку задачи, раскрывает содержание и методику выполнения каждой работы. Рассмотрено на заседании кафедры технологии и дизайна радиоэлектронной техники 28.09.2004 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 14.10.2004 г.

Рецензенты: кафедра технологии и дизайна радиоэлектронной техники СЗТУ (зав. кафедрой В.Н. Воронцов, д-р техн. наук, проф.); В.И.Соколов, д-р физ - мат. наук, ст. науч. сотр. ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Составители: Е.Е. Абрамов, канд. техн. наук, доц.; А.И. Адер, канд. техн. наук, доц; А. К. Александрова, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный университет, 2004

государственный

заочный

технический

3

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Данные методические указания содержат описание и порядок выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электроника». Ч.2. Целью лабораторных работ дисциплины «Электроника». Ч.2 является приобретение

навыков

измерения

и

исследования

параметров

изделий

микроэлектроники, сопоставление и анализ экспериментальных и теоретических данных. Перед выполнением лабораторных работ все студенты получают инструктаж по технике безопасности и расписываются в журнале. В лаборатории принят бригадный метод выполнения работ, причем в каждую группу должно входить не более трех человек. К очередной работе студенты допускаются только после положительной оценки преподавателем их готовности к выполнению работы. О готовности к работе свидетельствуют знание содержания работы и основных теоретических сведений о вопросах, рассматриваемых в работе. В процессе выполнения работы каждый студент должен вести записи, которые затем необходимо оформить в виде отчета. Отчеты должны быть составлены технически грамотно, аккуратно, с соблюдением соответствующих ГОСТов на обозначение величин и элементов схем. Каждый отчет должен заканчиваться самостоятельными выводами, поскольку студент должен творчески подходить к полученным экспериментальным данным, используя свои практические и теоретические знания. Лабораторные работы должны быть оформлены в виде отчёта с указанием фамилии, инициалов и шифра студента. Все схемы, включаемые в отчет, должны быть выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 2.730-82, ГОСТ 2.743-82, ГОСТ 2.708-81. Перед зачетом по лабораторным работам студент должен сдать оформленный отчет на проверку преподавателю.

4

Библиографический список 1. Аваев Н.А., Наумов Ю,Е, Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие. -М.: Радио и связь, 1991. 2. Ефимов И.Е. Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Физические и технологические основы, надежность: Учеб. пособие. - М.: Высш. школа, 1986. 3. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника: Учеб. пособие. - М.: Высш. школа, 1987. 4. Пономарев М.Ф., Коноплев Б.К. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров.- М.: Радио и связь, 1986. Работа 1. Исследование характеристик полупроводниковых интегральных микросхем 1. Цель работы Изучение

конструкции,

полупроводниковых

топологии

интегральных

и

электрических

параметров

микросхем (ПИМС), изготовленных на

основе биполярных транзисторов. 2. Основные теоретические положения ПИМС называется схема, элементы которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Для конструкции ПИМС широко используются подложки из кремния, поскольку они позволяют изготавливать элементы с высокими электрическими параметрами достаточно простыми технологическими методами. Конструкция ПИМС определяется технологией ее изготовления.

В

настоящее

время

подавляющее

большинство

ПИМС

выполняется по планарной технологии. Основу этой технологии составляют процессы окисления кремниевых заготовок, литографические процессы на

5

окисленном

слое,

процессы

эпитаксиального

наращивания

моно-

и

поликристаллических пленок кремния, а также локальная диффузия или ионная имплантация легирующих примесей в полупроводниковую подложку. На рис. 1 показана структура эпитаксиально-планарного транзистора ПИМС со скрытым n+ слоем.

Рис.1. Структура эпитаксиально-планарного транзистора ПИМС со скрытым n+ слоем Интегральный биполярный транзистор является важнейшим элементом большинства ПИМС, так как определяет конструкцию, расположение и технологию изготовления остальных элементов. В составе схемы, кроме транзисторов, могут быть диоды, резисторы, конденсаторы. В качестве диодов используются транзисторы в диодном включении, это экономически выгодно и технологически удобно. Резисторы используются двух типов - в эмиттерном и базовом слоях. Как правило, диффузионный резистор создается одновременно с эмиттером или базой транзистора. Сопротивление квадрата такого резистора составляет величину порядка 200...300 Ом (R‫=ڤ‬200... 300 Ом). В современных ПИМС наиболее широко используются диффузионные резисторы в виде прямоугольной полоски и в форме гантели с квадратными концами, в которых сформированы выводы резистора. низкоомные

Конструкция квадратные

выводов

резисторов

диффузионные

представляет

области,

сильно

собой

две

легированные

6

примесью одного знака с диффузионным резистивным слоем, которые располагаются с обоих его концов. Выполнение для выводов специальной дополнительной диффузии необходимо, чтобы получить омические невыпрямляющие контакты с коммутационными алюминиевыми проводниками, напыляемыми вакуумным методом на поверхность полупроводникового кристалла. Величина сопротивления рассматриваемых диффузионных резисторов вычисляется по формуле R = R□(l/b + 2K), где R - сопротивление резистора, Ом; R‫ ڤ‬- сопротивление квадрата резистивной области,

Ом;

l

-

длина

диффузионной

резистивной

области

(для

прямоугольного резистора l - расстояние между диффузионными областями выводных контактов, для резисторов в форме гантели l - расстояние между квадратными концами гантели); мм; b - ширина диффузионной резистивной области,

определяющей

учитывающий

номинал

дополнительное

резистора;

мм;

сопротивление

К

-

резистора,

коэффициент, обусловленное

конструкцией выводов (для прямоугольного резистора K = 0,07; для резистора в форме гантели K = 0,65). Полупроводниковые

конденсаторы

в

полупроводниковых

схемах

образуются р-n-переходами. Величина емкости такого конденсатора зависит от типа электропроводности полупроводникового материала, площади перехода, характера распределения концентрации примеси, а также от полярности и величины

смещения.

Эти

конденсаторы

создаются

одновременно

с

диффузионными областями транзистора. Другим

типом

конденсаторов

являются

диффузионные

МОП-

конденсаторы, обладающие лучшими характеристиками. Они создаются непосредственно на полупроводниковой пластине с использованием в качестве диэлектрика слоя диоксида кремния. Электродами служат диффузионный слой или подложка с малым удельным сопротивлением и тонкая пленка алюминия.

7

К числу параметров, характеризующих компоновку ПИМС, в первую очередь,

относится

коэффициент

заполнения

рабочей

поверхности

полупроводниковой подложки Ks: l

KS =

∑S i =1

pi

т

k

r

f

i =1

i =1

i =1

i =1

+ ∑ S Ti + ∑ S Дi + ∑ S кi + ∑ S Пi + nS кП ,

S

(1)

где S - площадь рабочей поверхности подложки, мм2; Spi - площадь i-го диффузионного резистора, мм2; SТi - площадь i-го транзистора, мм2; SДi площадь i-го диода, мм2; SкП - площадь, занимаемая выводной контактной площадкой, предназначенной для присоединения навесного проволочного вывода, мм2, Sкi – площадь, занимаемая i-м конденсатором, мм2; п - число выводных контактных площадок; SПi - площадь i-го проводника, мм2; l, т, k, r, f -соответственно число резисторов, транзисторов, диодов, конденсаторов и проводников. Коэффициенты

заполнения

площади

подложки

диффузионными

резисторами Ksp, транзисторами Ksr, конденсаторами Ksк, диодами KsД и пленочными проводниками совместно с контактными площадками KsП определяются как l

К SP =

∑S i =1

S

т

pi

;

К ST =

∑S i =1

r

Ti

K Sк =

;

S

∑S i =1

S

кi

;

k

К SД =

∑S i =1

S

f

K S кП =

∑S i =1

Пi

Дi

;

+ nS кП S

.

Плотность компоновки элементов на уровне кристалла

DП =

l+m+K +r VП

(3)

(2)

8

и на уровне корпуса

Dк =

l+m+K +r , Vк

(4)

где VП - объем полупроводникового кристалла (толщину кристалла следует принимать 0,25 мм), мм3; Vк - объем корпуса микросхемы (для корпуса 101 С114 величина Vк =127 мм3, для корпусов 401 МС8-1 и 401 МС12-1 Vк =325 мм3, для корпуса 301 ПЛ 14-1 Vк =450 мм3). 3. Методика выполнения работы 3.1. Изучить элементы конструкции исследуемой ПИМС и установить тип корпуса. 3.2. Определить геометрические размеры активных и пассивных элементов микросхемы, а также выводных контактных площадок. 3.3. Вычертить в масштабе 200: 1 на миллиметровой бумаге эскиз топологии микросхемы. 3.4. Произвести ориентировочный расчет номиналов резисторов. 3.5. Вычислить коэффициенты, согласно формулам (1), (2), (3) и (4). 3.6. Составить по эскизу топологии принципиальную электрическую схему, указать ее назначение и привести основные параметры. Для выполнения работы используются микроскоп типа МБС-10 с набором объективов и набор ПИМС в корпусах и со снятыми крышками. 4. Содержание отчета 4.1. Описание конструкции исследуемой ПИМС с указанием типа корпуса. 4.2. Эскиз топологии микросхемы, вычерченный карандашом на миллиметровой бумаге в масштабе 200 : 1. 4.3. Расчеты коэффициентов по формулам (1), (2),(3) и (4).

9

4.4. Рисунок принципиальной схемы с проставленными номиналами резисторов и описанием основных параметров и назначения исследованной интегральной схемы. 4.5. Краткие выводы по работе Литература: [I], с. 50 ... 54; 109 ... 113. Работа 2. Исследование характеристик и конструкции элементов гибридных интегральных микросхем

1. Цель работы Изучение конструкции, характеристик элементов и компоновочных характеристик тонкопленочных гибридных ИМС (ГИМС). 2. Основные теоретические положения Основными элементами ГИМС являются: изоляционная подложка, на которую

напыляются

конденсаторы,

пассивные

коммутационные

пленочные соединения

элементы и

т.

д.),

(резисторы, навесные

полупроводниковые кристаллы, выполняющие функции активных элементов (диоды, транзисторы, диодные сборки и т. д.), которые устанавливаются на подложке, и герметичный корпус, обеспечивающий защиту элементов микросхемы от воздействия окружающей среды. Подложки, как правило, выполнены из стекла марок С48-1, С48-3 или ситалла марки СТ 50-1, так как указанные материалы обладают высокими электрофизическими характеристиками. Тонкопленочные элементы ГИМС изготавливаются путем вакуумного напыления через систему сменных трафаретов. Например, для получения пленочного резистора необходимо вначале через один трафарет напылить резистивный слой, затем через другой - металлический слой с высокой электро-

10

проводностью, который является выводами резистора и одновременно служит коммутационными соединениями в микросхеме. Отличительной особенностью современных технологических процессов изготовления

интегральных

микросхем

являются

групповые

методы

производства, которые предусматривают выполнение за одну технологическую операцию однотипных элементов микросхемы. Поэтому на одну подложку микросхемы напыляются одновременно все резисторы. Поскольку материал и толщины пленочных резисторов будут в этом случае одинаковы, то заданную величину

сопротивления

каждого

резистора

обеспечивают

разной

конфигурацией отрезков резистивного слоя. В связи с этим, определив сопротивление квадрата резистивной пленки и установив ее геометрические размеры, можно для прямоугольного резистора вычислить его номинал по следующим формулам: R =R□n; R□= ρ/h; n = l/b, где R - величина сопротивления резистора; Ом; R‫ ڤ‬- сопротивление квадрата резистивной пленки, Ом; п - число квадратов, составляющих резистивную пленку; l - длина резистивной пленки между контактными площадками, мм; b ширина резистивной пленки, мм; ρ - удельное сопротивление резистивного материала, Ом · мм; h - толщина резистивной пленки, мм. Если резистор имеет форму меандра, то его номинал вычисляется как сумма сопротивлений прямоугольных участков и сопротивлений изгибов: m

k

1

1

R = ∑ Ri + ∑ R j ; Ri = R□ · n; Ri = 2,55 ·R□, где Ri - сопротивление прямоугольного участка резистора, Ом;

Rj -

сопротивление участка загиба, равного по площади трем квадратам, Ом; m число прямоугольных участков резистора; k - число участков загибов. Для

изготовления

тонкопленочных

конденсаторов

на

подложку

необходимо нанести три слоя: первый проводящий (нижние обкладки конденсатора),

диэлектрический

(диэлектрик

конденсатора)

и

второй

11

проводящий (верхние обкладки конденсатора). Нижние обкладки, как правило, напыляются одновременно с контактами пленочных резисторов и коммутационными соединениями в микросхеме. Таким образом, для изготовления микросхемы, содержащей тонкопленочные конденсаторы и сопротивления, достаточно последовательно нанести на подложку через разные трафареты четыре пленки: резистивную, первую проводящую (нижние обкладки конденсаторов, контакты резисторов, коммутационные соединения), диэлектрическую и вторую проводящую (верхние обкладки конденсаторов). Для защиты пленочных элементов от воздействия окружающей среды в процессе изготовления микросхемы часто напыляют дополнительный слой, представляющий собой пленку диэлектрика, которая покрывает все элементы микросхемы за исключением контактных площадок, предназначенных для установки навесных микродеталей и присоединения выводов от корпуса микросхемы. Аналогично резисторам материал и толщина слоев тонкопленочных конденсаторов в одной микросхеме, как правило, одинаковы. Поэтому отличие конденсаторов друг от друга по емкости обусловлено только размерами верхних обкладок

С = S В ⋅ С 0 ; С 0 = 0,0885 ⋅ ε / d , где С - емкость конденсатора, пФ; Sв - площадь верхней обкладки, мм2; Соудельная емкость конденсатора в микросхеме, пФ/мм2; ε - диэлектрическая проницаемость пленки диэлектрика; d - толщина пленки диэлектрика, мм. Одной из важнейших характеристик ГИМС является коэффициент заполнения подложки по площади. Он определяется как отношение рабочей площади элементов к общей площади подложки: n

КS =

∑S 1

Ri

m

k

l

f

1

1

1

1

+ ∑ S Ci + ∑ S Li + ∑ S Ai + N ⋅ S K + ∑ S Пi S

,

(5)

12

где KS - коэффициент заполнения подложки по площади;

SRi -

площадь

резистивного i-го элемента, мм2; SCi - площадь емкостного i-го элемента, мм2; S - рабочая площадь подложки, мм2; SLI - площадь индуктивного i-го элемента; мм2; SAi - площадь поверхности, соприкасающейся с подложкой навесного i-гo активного элемента, мм2; N - число контактных площадок для присоединения выводов корпуса и навесных микроэлементов; Sк - площадь одной контактной площадки (представляет квадрат с размером стороны не менее 500 мкм); мм2; f - число пленочных проводников; SП - площадь i-го печатного проводника, мм2; n, m, k, l - соответственно число пленочных резисторов, конденсаторов, индуктивностей и навесных элементов в микросхеме. Частные коэффициенты заполнения площади подложки пленочными резисторами KsR, конденсаторами KsC, индуктивностями KsL, навесными активными элементами KsA, пленочными проводниками и контактными площадками KsПк рассчитываются по формулам m

n

K SR =

∑S 1

Ri

; K SC =

S

K SA =

Важными

1

S

; K SL =

1

S f

l

∑S

k

∑ S Ci

Ai

; K S Пк =

∑S 1

Пi

компоновочными

∑S 1

Li

(6)

S

+ NS к .

S

параметрами

являются

количество

пленочных, приходящихся на единицу площади подложки:

F=

n+m+k +l , S

(7)

и количество навесных активных элементов, приходящихся на единицу площади подложки

FA = l / S .

(8)

13

3. Методика выполнения работы 3.1. Изучить конструкцию и топологию элементов ГИМС, которые исследуются. 3.2. Вычертить на миллиметровой бумаге эскиз общей топологии каждой рассматриваемой микросхемы (масштаб 20 : 1). 3.3. С помощью эталонной сетки в окуляре микроскопа произвести измерение

геометрических

размеров

всех

подложек,

резисторов

и

конденсаторов. 3.4. На основании проведенных измерений, воспользовавшись заданными величинами R и Со, вычислить номиналы резисторов и конденсаторов. 3.5.

Определить

тип

ИМС

и

нарисовать

ее

принципиальную

электрическую схему. 3.6. Вычислить коэффициенты по формулам (5),(6), (7), и (8). 3.7. Установить тип корпуса микросхемы, содержащей бескорпусные полупроводниковые приборы. Для выполнения работы используются микроскоп МСБ-10 и набор ГИМС в корпусах и со снятыми крышками корпуса. 4. Содержание отчета 4.1. Описание конструкции и электрических параметров пленочных элементов и навесных компонентов всех исследованных ГИМС. 4.2. Эскизы общей топологии системы пленок, нанесенных на каждую подложку в масштабе 20 : 1. 4.3. Эскизы топологии всех напыленных слоев (масштаб 20 : 1). 4.4. Расчет номиналов каждого резистора и каждого конденсатора. 4.5. Расчеты коэффициентов по формулам (5), (6), (7), (8). 4.6.Описание конструкции и указание типа рассматриваемого защитного корпуса ГИМС.

14

4.7. Принципиальная электрическая схема ГИМС. 4.8. Эскиз защитного корпуса с подложкой микросхемы с обозначением номеров выводов, выполненный в масштабе 20: 1 (вид со стороны снятой крышки). 4.9. Краткие выводы по работе. Литература: [I], с. 42 ... 50, 113 ... 117.

Работа 3. Исследование работы интегрального биполярного транзистора в микрорежиме 1. Цель работы Изучение особенностей работы интегрального биполярного транзистора (БТ) в микрорежиме в микросхеме 101КТ1 и определение его основных параметров. 2. Основные теоретические положения В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей, которая сопровождается компенсацией их заряда основными носителями. В обычных транзисторных схемах выходной (управляемой) величиной является либо коллекторный, либо эмиттерный ток, а входной (управляющей) ток базы либо ток эмиттера. Связь между выходными и входными токами характеризуется коэффициентами усиления. Связь между коллекторным

Iк

и эмиттерным

Iэ

токами можно

записать как

Iк = α ⋅ Iэ

,

(9)

15

где

α-

коэффициент усиления эмиттерного тока. У интегральных

транзисторов он обычно составляет 0,99 ... 0,995. Коэффициент усиления базового тока

β = Iк / Iб

(10)

β = α /(1 − α ) .

(11)

или

Типичные значения параметра больше, чем ближе коэффициент

α

α = γ ⋅χ

β

лежат в пределах 100... 150. Он тем

к единице. С другой стороны, (12)

γ - коэффициент инжекции, характеризующий долю полезной электронной составляющей в общем токе эмиттера (для транзистора типа п-p-n); χ -

где

коэффициент переноса, характеризующий роль инжектированных носителей, избежавших рекомбинации на пути к коллектору.

γ и χ рассчитываются по формулам

Коэффициенты

γ = 1−

La L Д D рэ

;

2 рэ

L Dnб

(13)

χ = 1 − (Wб Lnб ) ln ( N Dэ (hэ ) N Dк ) . 2

(14) В соотношении (13) доноров соответственно;

Lа

D рэ

и

LД

- диффузионные длины акцепторов и

- коэффициент диффузии дырок в эмиттере;

L рэ - диффузионная длина дырок в эмиттере; Dnб

- коэффициент диффузии

электронов в базе. В формуле (14)

Wб

– ширина базовой области, равная разности глубин

залегания коллекторного (hк) и эмиттерного (hэ) p-n-переходов:

16

Wб = hэ − hк

;

Lnб – диффузионная длина электронов в базе; NДэ(hэ) – концентрация донорной примеси у эмиттерного перехода; NДк - концентрация донорной примеси у коллекторного перехода. (Обычно hк = 1…3 мкм, hэ = 0,5...2,5 мкм, NДэ(hэ) = 1017…1018 см-3, NДк = 5.1015... 1.1017 см-3). Диффузионные длины акцепторов и доноров определяются соотношениями

La = Wб / ln

N Дэ (hэ ) ; N Дк

N Дэ (0) L Д = hэ / ln N Дэ ( hэ )

(15)

,

(16)

где NДэ(0) - концентрация донорной примеси в эмиттерной области на поверхности (обычно NДэ(0) = 2.1020... 1.1021 см-3). (Данные величины меняются в пределах Lпб, Lpэ = 2...50 мкм). Значения коэффициента диффузии дырок в эмиттере, Dpэ составляют 12,0...31,1 см2/с, коэффициента диффузии электронов в базе, Dnб 34...35 см2/с. Коэффициент инжекции

γ

тем ближе к 1, чем меньше ширина базы и

чем больше разница между граничными концентрациями примесей в эмиттерных и базовых слоях. Типичными для БТ являются значения γ = 0,08... 0,997. Коэффициент переноса χ тем ближе к 1, чем больше диффузионная длина и чем меньше ширина базы. С увеличением диффузионной длины ухудшаются частотные свойства транзисторов, поэтому одной из основных задач усовершенствования биполярных транзисторов является уменьшение ширины базы. Важными

параметрами

БТ

являются

максимальные

напряжения, которые рассчитываются следующим образом:

U кэ max =

2qN ДкWб3 3ε П ε 0 La

− ψ ок

, (17)

обратные

17

где Uкэ

max

- обратное напряжение на переходе коллектор-эмиттер, В; ψок -

контактная разность потенциалов в коллекторном р-n-переходе, В;

ψ ок = 2ϕТ ln (N Дк / ni )

где

φТ

- температурный потенциал, В;

φТ

(18)

= 0,026 В; ni - концентрация

носителей в собственном полупроводнике, см-3;

U кб max

⎛ 3 ⋅ 10 20 La ⎞ ⎟ = 60⎜⎜ ⎟ N Дк ⎠ ⎝

0, 4

; (19)

⎛ ⎞ 3 ⋅ 10 L Д ⎜ ⎟ = 60⎜ ⎟ ⎝ N Дэ (hЭ )(1 / L Д + 1 / La ) ⎠ 20

U эб max

0, 4

. (20)

Инерционность БТ при быстрых изменениях входных токов обусловлена временем пролета инжектированных носителей через базу tПр, а также перезарядом барьерных емкостей эмиттерного Сэб и коллекторного Скб переходов:

⎡ ⎤ 12(ψ оэ + U эб ) С эб = S э ⎢ ⎥ 2 ( ) ( )( ) ⋅ ε ⋅ ε ⋅ + q N h 1 / L 1 / L ⎢⎣ 0 Дэ э П Д a ⎥ ⎦

ψ оэ = 2ϕТ ln

−1 / 3

N Aэ (hэ ) , ni

;

(21)

(22)

где q –заряд электрона; ψоэ - контактная разность потенциалов в эмиттере, В; Sэ - площадь эмиттера, см2; Sэ=LэZэ; Lэ - ширина полоски металлизации, мкм, Lэ = 6...10 мкм; Za - длина полоски металлизации, мкм; Zэ =10... 15 мкм.

⎡12 La ⋅ (ψ ок + U кб )⎤ С кб = S б ⎢ 2 ⎥ ⎢⎣ q ⋅ N Дк ⋅ (ε П ⋅ ε 0 ) ⎥⎦

−1 / 3

, (23)

18

где Sб - площадь базы, см2; Lб - ширина полоски металлизации, мкм, = 7...12 мкм; Zб - длина полоски металлизации, мкм, Zб = 12...20 мкм; q - заряд носителей, К, q = 1,6 10-19 Кл; εП - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника (εП = 11,7...12); εо - постоянная вакуума, εо = 8,85·10-14 Ф/см. Время пролета (время рассасывания) заряда неосновных носителей tp, с рассчитывается по формуле

tp =

L2nб ⋅ L рк ⋅ hб

2 L рк ⎞ ⎛ ⎟⎟ , ⎜ 1 ⋅ + 2 ⎜ 2 Dnб ⋅ (hб ⋅ L рк / 2 + D рк ⋅ Lnб / Dnб ) ⎝ 3hб ⎠

(24)

где Lpк - диффузионная длина дырок в коллекторе, Lрк = 2... 50 мкм. Предельная частота БТ, fТ, может быть рассчитана как

fТ = Dnб / ( 2π ⋅ La ⋅ Wб

Состояние

поверхности

)

.

(25)

п-р-переходов

часто

описывают

характеристическим параметром m. Этот параметр очень удобен для оценки качества эмиттерного перехода, а вместе с тем - уровня собственных шумов, стабильности и надежности БТ.

т = 1 / ln (I б1 / I б 2 ) ,

(26)

где Iб1 - ток базы при токе коллектора, Iк1, мА; Iб2 - ток базы при токе коллектора Iк2, мА. При

отсутствии

рекомбинации

на

поверхности

в

объеме

пространственного заряда m=1. При наличии рекомбинационных процессов m= 1...2. В случае канальной проводимости m<4. При наличии широких каналов m>4.

Функциональной

характеристикой

метода

m

-

параметра

для

полупроводниковых приборов является вольт-амперная характеристика (ВАХ), крутизна которой в любой точке определяется воздействующими факторами (нагрузкой) и поверхностными дефектами, т. е. информативный параметр m характеризует крутизну функциональной характеристики.

19

3. Методика выполнения лабораторной работы В работе используется интегральная микросхема переключателя 101КТ1. Экспериментальный

макет

для

снятия

статических

характеристик

интегрального БТ собран по схеме, приведенной на рис.2. В макете предусмотрены два встроенных источника питания, в каждом из которых для регулировки напряжения есть потенциометры для грубой и точной настройки.

Рис. 2. Схема для снятия статических характеристик БТ 3.1. Порядок выполнения работы а) Потенциометром R2 установить напряжение Uкэ = 5 Вменьше максимально допустимого по ТУ. б) Потенциометром R1 установить Uбэ= 0,6 В, при этом измерить Iб и Iк.

в) Увеличивая Uбэ через 0,02 В, провести измерение токов Iб и Iк до Iк = 100 мА. г) Результаты измерений записать в таблицу по форме 1. Форма 1 Uб.э, В

Iк,μА

Iб,μА

1

2

3

ln(Iб2/Iб1) 4

m 5

α = Iк/Iэ

α = γ ·χ

6

7

д) По полученным данным построить графики зависимостей Iк = f(Uбэ) и Iб = f(Uб.э).

20

3.2. По приведенным выше формулам произвести расчеты:

β

- коэффициента усиления базового тока, коэффициентов инжекции γ и

переноса χ, значения максимальных обратных напряжений Uкб, Uэб, величины барьерных емкостей Скб, Сэб, определить время рассасывания заряда неосновных носителей tp и предельную частоту fТ.

Данные записать в таблицу по форме 2. Форма 2

β

Uкб, В

Uэб, В

Скб, Ф

Сэб, Ф

tр, с

4. Содержание отчета 4.1. Цель и содержание работы. 4.2. Схема измерений. 4.3. Графики Iб = f(Uбэ) и Iк=f(Uбэ).

4.4. Таблицы результатов измерений и расчетов. 4.5. Краткие выводы по работе. Литература: ☯4 , с.20 ... 30

fт, Гц

21

Работа 4. Исследование работы оптоэлектронных элементов I. Цель работы Исследование параметров управляемого делителя напряжения и работы схемы автоматической регулировки усиления. 2. Основные теоретические положения К наиболее широко применяемым оптическим устройствам относятся оптроны. Оптрон - это оптоэлектронный прибор, содержащий источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные в один корпус. В источнике излучения энергия электрического сигнала Е преобразуется в световую энергию L; световой сигнал по оптическому каналу воздействует на приемник и вновь превращается в электрический сигнал Е, т. е. осуществляется двойное преобразование энергии Е’→L→Е’’. Основным назначением оптрона в электрической схеме является функция элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Если между компонентами оптрона создать электрическую обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов. Оптроны как элементы связи используют для переноса информации электрически нейтральные фотоны, что обусловливает ряд достоинств: — практически полная гальваническая развязка входа и выхода; —

высокая

электрическая

прочность,

определяемая

оптической среды; — однонаправленность потока информации; — возможность реализации бесконтактных связей;

геометрией

22

— широкая полоса пропускания - оптрон передает постоянную составляющую, а его предельная верхняя частота, определяемая излучателем и фотоприемником, может лежать в гигагерцовом диапазоне; — физическое и конструктивное разнообразие, широта функциональных возможностей. Однако оптронам присущи и недостатки: значительная потребляемая мощность, ограниченный диапазон рабочих температур, температурная нестабильность его характеристик, относительно высокий уровень собственных шумов. В качестве излучателей в оптроне используются: миниатюрные лампочки накаливания,

светоизлучающие

диоды,

полупроводниковые

лазеры,

люминесцентные излучатели. В качестве фотоприемников применяют фотодиоды различных конструкций: фоторезисторы, фототранзисторы, фототиристоры, специальные виды фотоприемников (лавинные фотодиоды, фотоварикапы, МДПДМструктуры), интегральные фотоприемники, многоэлементные фотоприемники. В качестве оптической среды используются полимерные оптические клеи и

лаки,

вазелиноподобные

силиконовые

смазки,

низкотемпературные

халькогенидные стекла, световоды. Оптическая среда имеет следующие назначения: — сведение к минимуму потерь при передаче энергии от излучателя к приемнику; — обеспечение высоких значений параметров гальванической развязки; — создание конструктивно целостного прибора, устойчивого при всех эксплуатационных воздействиях. Основной характеристикой оптрона является коэффициент передачи, определяемый отношением тока на выходе к току на входе:

K = I вых / I вх .

(27)

23

3. Методика выполнения работы Для проведения работы используются: макет, генератор ГЗ-112/1, вольтметры: ВЗ-38, В7-26, В7-27А.

3.1. Исследование управляемого делителя напряжения Принципиальная схема делителя напряжения приведена на рис. 3. В качестве испытуемого оптрона используется резисторная пара ОЭП-2, где в качестве излучателя применена сверхминиатюрная лампочка накаливания, приемником служит фоторезистор на основе селенистого кадмия, чувствительного к видимому свету. Выходное темновое сопротивление для ОЭП-2 не менее 3 · 107 Ом при Т =293° С, выходное световое сопротивление не более 500 Ом.

Рис. 3. Принципиальная схема делителя напряжения

24

Рис.4. Оптопара

Фоторезистор и излучатель объединены внутри корпуса оптопары оптически прозрачной средой (клеем) с большим сопротивлением изоляции. Поэтому входная цепь излучателя (1-3) надежно изолирована от выходной цепи (2 - 4), см. рис.4. Резисторные пары применяются преимущественно для бесконтактной коммутации и управления в цепях переменного тока в широком диапазоне частот. 3.1.1. Определить коэффициент передачи а) к клеммам 1 и 2 подключить вольтметр постоянного тока В7-27А (рис. 3); б) к клеммам 3 и 5 подключить генератор Г3-112/1; в) к клеммам 4 и 5 подключить вольтметр переменного тока ВЗ-38; 5

г) подать от генератора напряжения U вых = 80 мВ при f = 10⋅10 Гц; д) включить макет в сеть: е) меняя движком реостата R1 управляемое напряжение U1 от 1,2 до 2,2 В, измерять напряжение делителя U2. Данные занести в табл. по форме 3.

25

Форма 3 U вых = 80 мВ U1,

В 1,2

упр.

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

!,8

1,9

2,0

2,1

2,2

U2, , В дел.

ж) коэффициент передачи рассчитать по формуле (27); з) по полученным данным построить график зависимости коэффициента передачи К от управляемого напряжения, т. е. K = f(U1). 3.1.2.

Измерить

зависимость

сопротивления

фоторезистора

от

освещенности а) к клеммам 1 и 2 подключить вольтметр постоянного тока В7-27А (рис. 3); б) к клеммам 3 и 4 подключить универсальный вольтметр В7-26, позволяющий измерить сопротивление объекта исследования; в) вращая движок реостата R1, изменять напряжение управления U1, измеряя при этом сопротивление фотоприёмника R. Данные измерений занести в табл. по форме 4. Форма 4 U1, В

1,2

1,5

2,0

2,5

3,0

упр. R, Ом

г) построить график зависимости R=f(U1).

3,5

4,0

4,5

26

3.2. Исследование работы схемы автоматической регулировки усиления

Схема (рис.5) предназначена для поддержания оптимального уровня выходного сигнала при изменении входного в широком диапазоне. Основой схемы является операционный усилитель (ОУ), охваченный отрицательной обратной связью (ООС). В качестве сопротивления обратной связи используется

фоторезистор

оптопары.

Когда

выходное

напряжение

ОУ

превышает значение порогового напряжения транзистора (0,7 В), последний включается

и

через

излучатель

оптопары

начинает

протекать

ток.

Сопротивление фоторезистора уменьшается, что увеличивает коэффициент ООС и соответственно уменьшает усиление ОУ, т. е. чем больше сигнал на входе схемы, тем меньше коэффициент усиления, значит уровень выходного сигнала поддерживается на одном уровне, начально-заданным сопротивлением R2, подключенным параллельно резистору оптопары. При изменении входного сигнала от 70 до 700 мВ, уровень выходного сигнала постоянен и равен 700 мВ. При дальнейшем увеличении входного сигнала транзистор полностью открывается, сопротивление фоторезистора становится минимальным и усилитель на ОУ превращается в повторитель входного напряжения за счет 100% ООС. 3.2.1.Определить напряжение на выходе схемы: а) включить макет в сеть; б) к клеммам 1 и 2 (рис. 5) подключить выход генератора ГЗ-112/1 с усилителем;

27

Рис.5. Схема автоматической регулировки усиления

в) к клеммам 3 и 4 подключить милливольтметр переменного тока ВЗ-38; г) установить на схеме тумблер в положение 2; д) подать с генератора синусоидальное напряжение с частотой 400 Гц. Изменяя напряжение генератора Uвх от 10 мВ до 1 В, следить за изменением напряжения на выходе схемы Uвых. Результаты измерений занести в табл. по форме 5. Форма 5 Uвх, мВ

10

50

100

200

400

500

600

700

800

1000

Uвых, В

е) по полученным данным построить график зависимости Uвых = f (Uвх); ж) переключить тумблер в положение 1; з) повторить действия п. «д». Данные измерений занести в отдельную таблицу по форме 5. и) построить график зависимости Uвы = f (Uвх).

28

4. Содержание отчета 4.1. Цель и краткое содержание работы. 4.2. Схемы измерений. 4.3. Таблицы и графики, полученные при измерениях, 4.4. Краткие выводы по работе. Литература: [I], с. 253 ... 256, [3], с. 367 ... 408 Содержание Общие указания к выполнению лабораторных работ . . . . . . . . . . . 3 Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Работа 1. Исследование характеристик полупроводниковых интегральных микросхем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Работа 2. Исследование характеристик и конструкции элементов гибридных интегральных микросхем . . . . . . . . . . . . . . . .9 Работа 3. Исследование работы интегрального биполярного транзистора в микрорежиме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 Работа 4 Исследование работы оптоэлектронных элементов . . . . . 21

29

Редактор И.Н.Садчикова Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение №78.01.07.953.П. 005641.11.03 от 21.11.2003 г. Северо-Западный государственный заочный технический университет

в печать 2004. Форматассоциации 60х84 1/16. РИОПодписано СЗТУ, член Издательско-полиграфической вузов России Б. кн.-журн. П.л.

.Б.л.

.РТП РИО СЗТУ

191186Тираж Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 100. Заказ . д. 5