Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Интегральные устройства радиоэлектроники. Ч.1: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Голосов: 1

Методические указания к выполнению лабораторных работ разработаны в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654300 - "Проектирование и технология электронных средств" (специальность 200800 - "Проектирование и технология радиоэлектронных средств") и направлению подготовки бакалавра 551100 - "Проектирование и технология электронных средств". 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.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                     Федеральное агентство по образованию

 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
                              образования
           СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ
                      ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

            Кафедра технологии и дизайна радиоэлектронной техники




  ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
                    Часть 1




                     МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
                К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ




                     Ф а к у л ь т е т радиоэлектроники

Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста:
654300 – проектирование и технология электронных средств
200800 – проектирование и технология радиоэлектронных средств


Направление подготовки бакалавра
551100 – проектирование и технология электронных средств




                             Санкт-Петербург
                                  2004


        Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 621.38:001.18

    Интегральные устройства радиоэлектроники. Ч. 1: Методические указания
к выполнению лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2004.- 22 с.

    Методические указания к выполнению лабораторных работ разработаны в
соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов
высшего профессионального образования по направлению подготовки
дипломированного специалиста 654300 - «Проектирование и технология
электронных средств» (специальность 200800 «Проектирование и технология
радиоэлектронных средств») и направлению подготовки бакалавра 551100 –
«Проектирование и технология электронных средств».

    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 государственный заочный технический университет,
2004.


                                       3




                              ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
                  К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ


       Данные методические указания содержат описание и порядок выполнения
лабораторных работ по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники».
Ч.1.
       Целью лабораторных работ дисциплины «Интегральные устройства
радиоэлектроники».   Ч.1    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 выполнению лабораторной работы студенты
допускаются только после положительной оценки преподавателем их готовности к
выполнению данной 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, с указанием фамилии, инициалов и шифра студента.
Каждый отчет должен заканчиваться самостоятельными выводами, поскольку
студент должен творчески подходить к полученным экспериментальным данным,
используя свои практические и теоретические знания. 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 РАБОТЫ ИНТЕГРАЛЬНОГО
        БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В МИКРОРЕЖИМЕ И
                   ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ПАРАМЕТРОВ


                                      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


                                                5

характеризуется коэффициентами усиления.

      Связь между коллекторным                 Iк   и эмиттерным     Iэ        токами можно
записать как

                                    Iк = α ⋅ Iэ        ,                 (1)

где     α-      коэффициент усиления эмиттерного тока. У интегральных
транзисторов он обычно составляет 0,99 ... 0,995. Коэффициент усиления
базового тока

                      β = Iк / Iб                                        (2)
      или

                      β = α /(1 − α ) .                                  (3)

      Типичные значения параметра               β   лежат в пределах 100... 150. Он тем

больше, чем ближе коэффициент              α   к единице. С другой стороны,
                          α = γ ⋅χ                                       (4)
где γ - коэффициент инжекции, характеризующий долю полезной электронной
составляющей в общем токе эмиттера (для транзистора типа п-p-n); χ -

коэффициент переноса, характеризующий роль инжектированных носителей,
избежавших рекомбинации на пути к коллектору.
      Коэффициенты      γ и χ рассчитываются по формулам
                        La L Д D рэ
             γ = 1−        2
                                           ;
                         L Dnб
                           рэ                                            (5)

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


                                                                   (6)

      В соотношении (5)         Lа     и   LД    - диффузионные длины акцепторов и

доноров соответственно;         D рэ   - коэффициент диффузии дырок в эмиттере;


                                             6

L рэ - диффузионная длина дырок в эмиттере; Dnб                 - коэффициент диффузии

электронов в базе.

      В формуле (6)     Wб    – ширина базовой области, равная разности глубин

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

                                     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

                                N Дэ (hэ )
                   La = Wб / ln            ;
                                 N Дк                               (7)

                                      N Дэ (0)
                      L Д = hэ / ln
                                      N Дэ ( hэ )   ,                 (8)
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


                                                 7

базы.
        Важными         параметрами         БТ       являются            максимальные         обратные
напряжения, которые рассчитываются следующим образом:

                                    2qN ДкWб3
                       U кэ max =                     − ψ ок         ,
                                    3ε П ε 0 La                                      (9)
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 )                                (10)

где    φТ   - температурный потенциал, В;                   φТ   = 0,026 В; ni - концентрация
носителей в собственном полупроводнике, см-3;
                                                     0, 4
                          ⎛ 3 ⋅ 10 La ⎞20

          U кб max    = 60⎜
                          ⎜ N
                                      ⎟
                                      ⎟                          ;
                          ⎝       Дк  ⎠                                                          (11)
                                                                     0, 4
                      ⎛        3 ⋅ 10 L Д   20
                                                      ⎞
  U эб max            ⎜
                  = 60⎜                               ⎟                      .
                      ⎝ N Дэ (hЭ )(1 / L Д + 1 / La ) ⎟
                                                      ⎠                                          (12)
        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:
                                                                                 −1 / 3
                 ⎡               12(ψ оэ + U эб )                  ⎤
      С эб = S э ⎢                                                 ⎥
                   q ⋅ N Дэ (hэ )(ε П ⋅ ε 0 ) ⋅ (1 / L Д + 1 / La )⎥
                                             2
                 ⎢
                 ⎣                                                 ⎦                      ;    (13)

                                      N Aэ (hэ )
                        ψ оэ = 2ϕТ ln            ,
                                         ni                                                    (14)
где q –заряд электрона; ψоэ - контактная разность потенциалов в эмиттере, В; Sэ
- площадь эмиттера, см2; Sэ=LэZэ; Lэ - ширина полоски металлизации, мкм, Lэ =


                                             8

6...10 мкм; Za - длина полоски металлизации, мкм,
      Zэ =10... 15 мкм.
                                                        −1 / 3
                         ⎡12 La ⋅ (ψ ок + U кб )⎤
              С кб = S б ⎢                        2 ⎥
                                                                     ,
                         ⎢ q ⋅ N Дк ⋅ (ε П ⋅ ε 0 ) ⎥
                         ⎣                          ⎦                                (15)
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

                          L2 ⋅ L рк ⋅ hб           ⎛   2L ⎞
  tp =
                           nб
                                                 ⋅ ⎜1 + рк ⎟ ,
       2 Dnб ⋅ (hб ⋅ L рк / 2 + D рк ⋅ L2 / Dnб ) ⎜
                                        nб         ⎝   3hб ⎟
                                                           ⎠                                (16)
где Lpк - диффузионная длина дырок в коллекторе,
      Lрк = 2... 50 мкм.
      Предельная частота БТ, fТ, может быть рассчитана как

               fТ = Dnб / ( 2π ⋅ La ⋅ Wб                 )       .                     (17)
      Состояние          поверхности        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 ) ,                                               (18)
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=


                                           9

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.


                        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.1. В макете
предусмотрены два встроенных источника питания, в каждом из которых для
регулировки напряжения есть потенциометры для грубой и точной настройки.




                 Рис. 1. 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   ln(Iб2/Iб1)       m       α = Iк/Iэ      α = γ ·χ

       1           2           3           4              5           6            7


                                             10




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




                                     2.     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: ☯3 , с.65 ... 70; ☯ , с.65 ... 70



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика