Задачи и направления развития микроэлектроники. Основные понятия и определения. Серии интегральных микросхем (ИМС), их классификация и маркировка. Основные параметры и характеристики. Достоинства и недостатки ИМС.
Технология изготовления полупроводниковых ИМС. Основные технологические приемы при изготовлении полупроводниковых ИМС. Способы изоляции элементов в ИМС. Принципы создания пассивных и активных элементов.
Методические указания по изучению раздела
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Этот раздел является основой для изучения основного материала программы. Если в начальный период развития различные отрасли электронной техники опирались на использование электровакуумных и газоразрядных приборов, то в настоящее время электровакуумные и газоразрядные приборы успешно замещаются различными полупроводниковыми приборами. Применение современных полупроводниковых приборов позволило создать малогабаритную электронную аппаратуру, увеличить надежность и срок ее работы, а также значительно уменьшить расход потребляемой электроэнергии. Немаловажным является и то, что полупроводниковые приборы для своей работы не требуют источников высоких напряжений.
|
|
Необходимо отметить, что наряду с существенными достоинствами полупроводниковым приборам присущи и некоторые недостатки, к которым относятся — технологический разброс параметров, зависимость параметров от температуры, трудности получения больших мощностей.
Принципы устройства и работы полупроводниковых приборов использованы для создания полупроводниковой микроэлектроники.
Полупроводниками называют обширную группу химических веществ, элементов и их соединений, у которых удельное электрическое сопротивление занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Физическая сущность проводимости полупроводников существенно отличается от процессов проводимости в металлах. Наиболее важным является то, что проводимость в полупроводниках осуществляется двумя видами подвижных носителей электрических зарядов — отрицательно заряженными свободными электронами и положительно заряженными дырками — электронами замещения.
Проводимость полупроводников существенно зависит от окружающей температуры, степени освещенности и радиации, а также от вида и процентного содержания в нем примеси.
Исходным материалом при изготовлении полупроводниковых приборов являются элементы четвертой группы периодической таблицы Менделеева. Широкое применение имеют германий, кремний, а также полупроводниковые соединения: арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия и др. Если в чистый полупроводник добавлена примесь пятой группы таблицы Менделеева, то в этом полупроводнике преобладает примесная проводимость n –типа; если же примесь третьей группы таблицы Менделеева, то преобладает примесная проводимость p –типа.
|
|
Особые свойства приобретают полупроводники, состоящие из двух или нескольких соприкасающихся слоев с различными типами проводимости. Область, где имеется переход от полупроводника с электронной проводимостью к полупроводнику с дырочной проводимостью, называют электронно-дырочным или p – n переходом.
Свойства и сочетание электронно-дырочных переходов лежат в основе принципа действия многих полупроводниковых приборов.
В полупроводниковых диодах пользуются полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют один p – n переход. Электрические характеристики диода определяются электрическими свойствами этого p – n перехода.
В биполярных транзисторах используются два p – n перехода. Электрические характеристики биполярных транзисторов определяются взаимодействием этих переходов.
В полевых транзисторах применяются полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют один p – n переход. Но в отличие от диодов и биполярных транзисторов электрические характеристики полевых транзисторов зависят в основном от взаимодействия изотропного полупроводникового канала с p – n переходом.
В тиристорах применяются полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют три p – n перехода или более. Основные электрические характеристики тиристоров определяются взаимодействием этих переходов.
В фотоэлектрических и светоизлучающих полупроводниковых приборах используются эффекты генерации света и изменения электрических характеристик полупроводниковых структур под воздействием оптического излучения.
Оптоэлектронные полупроводниковые приборы представляют собой несколько различных полупроводниковых приборов, объединенных в одном корпусе.
Полупроводниковые микросхемы — микроэлектронные изделия, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки сигнала, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.
При изучении этого раздела необходимо уделить внимание конструкции полупроводниковых приборов, их принципу действия, основным характеристикам и параметрам, схемам включения этих приборов и их использованию в электронной технике.
Материал этого раздела изложен в источниках [9, 10, 12 17, 21].
Вопросы для самоконтроля
1. Какие исходные материалы используются для изготовления полупроводников?
2. Что называется собственной и примесной проводимостью полупроводников?
3. Что такое основные и неосновные носители заряда?
4. Объяснить свойства и характеристику электронно-дырочного перехода.
5. Что называется запирающим слоем p-n перехода?
6. Что называется диффузионным и дрейфовым током p-n перехода?
7. Принцип действия p-n перехода при прямом и обратном включении.
8. Какие функции выполняют полупроводниковые диоды?
9. Дать характеристику выпрямительным полупроводниковым диодам.
10. Какие требования предъявляются к высокочастотным универсальным диодам?
11. Изобразите схему включения кремниевого стабилитрона.
12. На чем основан принцип действия варикапов?
13. Расшифруйте маркировку диодов ГД107Б; КД226А; КН102В; АЛ103А; 2У201В.
14. Сколько и каких переходов в транзисторах типа p-n-p и n-p-n?
15. Принцип действия биполярного транзистора.
16. Статические характеристики биполярного транзистора.
17. Чем отличается динамический режим работы транзистора от статического?
18. Нарисовать три схемы включения биполярных транзисторов с указанием направления протекающих токов.
|
|
19. Коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером β = 100. Найти коэффициент передачи тока α для схемы с общей базой.
20. Физический смысл h – параметров биполярного транзистора.
21. Привести условные изображения транзисторов разных типов.
22. Каково название и назначение электродов в полевом транзисторе.
23. Объяснить различие между биполярными и полевыми транзисторами; назвать разновидности полевых транзисторов.
24. Назвать возможные области применения полевых транзисторов.
25. Привести условное изображение динистора и тринистора на принципиальных схемах.
26. Как устроен тринистор и для чего он применяется?
27. Сформулировать основные законы фотоэффекта.
28. В чем отличие внешнего фотоэффекта от внутреннего?
29. Объяснить устройство фоторезистора.
30. Почему фоторезисторы можно применять в цепях как постоянного, так и переменного токов?
31. Можно ли использовать свойства фотодиода, если к нему подведено прямое напряжение?
32. Как устроена солнечная батарея?
33. Чем объяснить увеличение интегральной чувствительности фототранзистора по сравнению с фотодиодом?
34. Указать основные области применения различных фотоприборов.
35. По каким направлениям развивается современная микроэлектроника?
36. Дать определение полупроводниковой интегральной микросхемы.
37. Объяснить, как создается электрическая изоляция в полупроводниковых ИМС.
38. Как изготовляют транзисторы и диоды в полупроводниковых ИМС?
39. Дать определение гибридной интегральной микросхемы.
40. Где применяются интегральные микросхемы?