/
Author: Козырь И.Я. Горбунов Ю.И.
Tags: электротехника электротехнические материалы и изделия микроэлектроника полупроводниковые приборы учебное пособие интегральные микросхемы
ISBN: 5-06-000305-1
Year: 1989
Text
ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИИ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
з
КНИГА XX
Ю. И. [орбунов И. Я. Козырь --- =
I ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ^
I ПРИБОРЫ
I И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ И ;
I МИКРОСХЕМЫ НИИ
ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
КНИГА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРИБОРЫ
И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
МИКРОСХЕМЫ
Допущено
Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебного пособия
для профессионально-
технических училищ
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1989
ББК 31.233
Т38
УДК 621.382
Ю.И. Горбунов, И.Я. Козырь
Рецензенты: канд. техн, наук, доц. Ю.С. Черпозубов (Москов-
ский институт электронного машиностроения); преп. М.Г. Крути-
кова (Московский техникум электронных приборов)
Технология полупроводниковых приборов и изделий
Т38 микроэлектроники. В 10 кн.: Учеб, пособие для ПТУ.
Кн. 3. Полупроводниковые приборы и интегральные мик-
росхемы / Ю.И. Горбунов, И.Я. Козырь. — М.: Высш, шк.,
1989. - 143 с.: ил.
ISBN 5-06-000305-1
В книге приведены основы физики полупроводников и прин-
ципы действия важнейших полупроводниковых приборов, исполь-
зуемых в качестве дискретных компонентов и элементов интег-
ральных микросхем. Рассмотрены особенности и классификация
интегральных микросхем. Описаны базовые элементы цифровых
микросхем и принципы построения аналоговых микросхем.
т 2302030700(4307000000) -412
052(01) -89
58 - 89
ББК31.233
6Ф0.32
ISBN 5-06-000305-1
О Издательство ’’Высшая школа”, 1989
ВВЕДЕНИЕ
В Основных направлениях экономического и социального
развития СССР на 1986 — 1990 годы и на период до 2000 года
особое внимание уделяется электронизации, роботизации и
комплексной автоматизации производства на базе новейшей
электронной техники. Успехи, достигнутые в области разработ-
ки дискретных полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем (ИМС), в значительной степени определяют про-
гресс всей современной науки и техники.
Разрабатываемые в настоящее время сложные комплексы
аппаратуры содержат миллионы и даже десятки миллионов
различных элементов. Поэтому исключительно важное значе-
ние приобретают проблемы повышения надежности элементов,
уменьшения потребляемой ими мощности, увеличения стойкос-
ти к воздействию внешних факторов. Эти условия могут быть
обеспечены только путем дальнейшего совершенствования рабо-
чих характеристик и технологии изготовления полупроводни-
ковых приборов и ИМС.
Характеристики полупроводниковых приборов и изделий
современной электронной техники определяются электрофизи-
ческими свойствами материалов, используемых для их изго-
товления. Поскольку для понимания принципа действия различ-
ных классов приборов необходимо иметь представление о
важнейших процессах, происходящих в материале при воздей-
стии на него внешних электрических и магнитных полей, свето-
вого облучения и других факторов, структура книги построена
следующим образом. В начале книги приводятся основные све-
дения о свойствах материалов, лежащих в основе действия
большинства приборов. Затем рассматриваются полупровод-
никовые диоды, биполярные и МОП-транзисторы, оптоэлектрон-
ные приборы и элементы интегральных микросхем (ИМС).
В заключительных главах книги внимание уделено особеннос-
тям работы и способам практической реализации важнейших
классов ИМС и устройств функциональной электроники.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТОНКИХ ПЛЕНОК
§ 1. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
В зависимости от удельной проводимости все твердые тела
подразделяют на металлы, диэлектрики (изоляторы) и полу-
проводники. Удельная проводимость металлов изменяется в
пределах от 102 до 104 См, диэлектриков — от 10-24 до
10~12 См, а полупроводников — от 10-11 до 101 См. Наиболее
характерной особенностью полупроводников является увеличе-
ние их проводимости с ростом температуры. Однако это свой-
ство не проявляется, как правило, в любом интервале изменения
температуры или применительно к любому полупроводнику.
Важнейшее свойство полупроводников состоит в возмож-
ности изменения их проводимости под действием внешних
факторов (температуры, освещения, радиоактивного облуче-
ния) , а также контролируемым введением незначительного
количества примесных атомов (легированием). Эти свойства
полупроводников лежат в основе их практического применения
в твердотельной электронике.
В зависимости от химического состава полупровощшки
подразделяют на элементарные, состоящие из атомов только
одного химического элемента, и композиционные, или слож-
ные, состоящие из атомов двух или более химических элемен-
тов. К первым относят германий и кремний — элементы IV
группы Периодической системы, а ко вторым — соединения
элементов III и V, а также II и VI групп Периодической сис-
темы, соответственно условно обозначаемые A1^1BV и AUBVI.
Как известно из курса материаловедения, особенности
полупроводников обусловлены строением их кристаллической
решетки. Атомы или молекулы полупроводникового материала
расположены в строго закономерном порядке и образуют в
пространстве так называемую элементарную ячейку, имеющую
форму некоторой правильной геогиетрической фигуры и харак-
теризующуюся определенными минимальными расстояниями
между атомами, расположенными по координатным направ-
лениям. В узлах элементарной кристаллической ячейки рас-
положены отдельные атомы, между которыми действуют так
называемые ковалентные связи, характеризующиеся тем, что
у каждых двух соседних атомов имеются два общих валентных
электрона.
4
В современной твердотельной
электронике наиболее широкое при-
менение получили германий и крем-
ний, имеющие элементарную куби-
ческую решетку типа алмаза (рис. 1).
Так как атомы германия и кремния
имеют по четыре валентных электро-
на, то в их элементарной ячейке
каждый атом образует ковалентные
связи с четырьмя ближайшими со-
седними атомами. Такую элементар-
Рис. 1. Элементарная ячей-
ка кристаллической ре-
шетки типа алмаза
ную решетку имеют почти все полу-
проводниковые материалы. Правиль-
ный кристалл полупроводника можно
получить плоскопараллельным пере-
мещением элементарной решетки во всех возможных направ-
лениях. Такую структуру называют монокристаллом. Крис-
таллы с решеткой алмазного типа характеризуются анизо-
тропией, т. е. неоднородностью свойств в различных коор-
динатных направлениях. Важнейший параметр элементарной
кристаллической решетки полупроводников — ее постоянная
а — расстояние между двумя атомами, расположенными в
соседних вершинах куба.
§ 2. БЕСПРИМЕСНЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
Твердые тела состоят из совокупности взаимодействующих
между собой атомов, расположенных на очень малых расстоя-
ниях, называемых межатомными. В металлах межатомные рас-
стояния наименьшие, а в диэлектриках наибольшие. Однако
во всех случаях совокупность атомов в твердом теле следует
рассматривать как единую структуру, которая подобно отдель-
ному атому характеризуется некоторым единым энергетичес-
ким спектром.
Для описания свойств полупроводников пользуются зон-
ными энергетическими диаграммами. Представление об энерге-
тических зонах является непосредственным следствием теории
атома, имеющего определенные дискретные разрешенные уров-
ни, которые могут занимать электроны. На зонной энергетичес-
кой диаграмме атома (рис. 2) горизонтальными линиями пока-
зывают энергии, которыми могут обладать различные электро-
ны. При этом одну и ту же энергию могут иметь не более двух
электронов, т. е. на заданном энергетическом уровне может
находиться один электрон, два электрона или не быть ни одного
электрона.
Рис. 3. Зонная энергетическая
диаграмма взаимодействую-
щих атомов
Рис. 2. Зонная энер-
гетическая диаграм-
ма атома
Представим себе, что твердое тело образуется сближением
отдельных атомов, которые ранее находились на достаточно
больших' расстояниях и взаимодействия между ними не было.
При уменьшении межатомных расстояний (рис. 3) взаимное
влияние атомов возрастает и каждый из разрешенных энерге-
тических уровней начинает расщепляться, образуя энергетичес-
кие зоны. Взаимное влияние атомов начинает проявляться в
результате взаимодействия электронов, расположенных на внеш-
ней оболочке, обладающих наименьшей энергией и называемых
валентными. По оси абсцисс на рис. 3 соответственно отложе-
ны межатомные расстояния металла с?м, полупроводника dn
И изолятора (диэлектрика) с?и.
Таким образом, полупроводник имеет энергетическую зон-
ную диаграмму, на которой разрешенные зоны чередуются с
запрещенными. Разрешенные зоны, в свою очередь, состоят
из большого количества разрешенных уровней, равного коли-
честву взаимодействующих атомов, энергетические расстояния
между которыми малы и обычно не превышают 10-22 эВ.
Поэтому разрешенные зоны можно считать сплошными.
Так как диэлектрики имеют наибольшее среди всех твердых
тел межатомное расстояние, у них запрещенная зона, разделяю-
щая две верхние разрешенные зоны, более широкая, чем у
полупроводников. Верхние разрешенные зоны у металлов сли-
ваются, т. е. запрещенная зона в них отсутствует.
Ширина запрещенной зоны Д/Г, определяющая энергетичес-
кий промежуток между зонами разрешеннных энергетических
уровней, является важнейшим параметром полупроводников
(табл.1).
6
Таблица!. Ширина запрещенной зоны основных
полупроводниковых материалов
Материал Химическая формула Д£, эВ
Германий Кремний Арсенид галлия Фосфид индия Ge 0,72 Si 1,12 CaAs 1,41 InP 1,29
Физические процессы в полупроводниках характеризуют
только две верхние разрешенные зоны (рис. 4), поскольку
именно они обусловливают проводимость. Верхнюю разрешен-
ную зону с нижним уровнем Е называют зоной проводимости.
Электроны, находящиеся на уровнях этой зоны, обладают
достаточно высокой энергией, могут переходить с уровня на
уровень и называются электронами проводимости. При пере-
мещении электронов в объеме полупроводника под действием
электрического поля их энергия изменяется. Эти электроны
определяют электропроводность полупроводника. Нижнюю
разрешенную зону с верхним уровнем Ev называют валентной.
Энергетические уровни этой зоны обычно заполнены электрона-
ми внешней оболочки атомов — валентными электронами.
Пользуясь зонной теорией, рассмотрим свойства и осо-
бенности беспримесных и примесных полупроводников на
примере кремния. Полупроводники, не содержащие примесей,
влияющих на их электропроводность, называют беспримесны-
ми или собственными. Полупроводники, электропроводность
которых обусловлена примесями, называют примесными.
Для характеристики электрических свойств кремния и их
зависимости от присутствия в нем при-
месных атомов вводят понятие дву-
мерной кристаллической решетки. Так
как каждый атом кремния окружен
четырьмя ближайшими соседними ато-
мами, такой тип ковалентной связи
между ними можно условно изобра-
зить на плоскости. Двумерная крис-
таллическая решетка и зонная энерге-
тическая диаграмма беспримесного (соб-
ственного) полупроводника показаны
на рис. 5, а, б. Между соседними ато-
мами кремния проведены две связы-
вающие их прямые линии (валентные
_ Зона rpoSoSuMocmu
Запрещенная зона
v Валентная зона
ЛЕ
Рис. 4. Зонная энерге-
тическая диаграмма по-
лупроводника
7
Рис. 5. Двумерная кристаллическая решетка (а) и зонная энергетичес-
кая диаграмма (6) беспримесного полупроводника
связи), каждая из которых соответствует наличию электрона
на общей орбите этих атомов. Энергия электрона, образующего
валентную связь, соответствует одному из уровней валентной
зоны.
Насыщение валентных связей, т. е. заполнение их электро-
нами, будет только в том случае, если на кристалл не оказыва-
ется никакого внешнего воздействия. Анализируя влияние
внешних воздействий, обычно ограничиваются воздействием
только тепловой энергии и считают, что электроны с полностью
насыщенными связями присутствуют только при температуре
абсолютного нуля (Т = —273,4° С). По мере сообщения крис-
таллу кремния тепловой энергии между его атомами нарушают-
ся валентные связи, в результате чего электроны получают
энергию, необходимую для их перехода на уровни зоны проводи-
мости. Такой процесс называют ионизацией валентных связей.
При появлении незанятых — вакантных уровней в валент-
ной зоне валентные электроны изменяют свою энергию и пере-
ходят с одного разрешенного уровня этой зоны на другой, а
следовательно, участвуют в процессе возникновения тока. С
ростом температуры интенсивность разрыва валентных связей
увеличивается, что приводит к увеличению количества электро-
нов в зоне проводимости и количества незанятых уровней в
валентной зоне.
Вакантные энергетические уровни в валентной зоне, т. е.
ионизированные валентные связи, называют дырками про-
водимости. Дырка представляет собой подвижный носитель
заряда, имеющий положительный знак. Перемещению дырок
8
по уровням валентной зоны соответствует встречное перемеще-
ние валентных электронов.
Образование пары подвижных и противоположно заряжен-
ных электрона и дырки называют генерацией электронно-дыроч-
ной пары. Так как в данном случае генерация пары подвижных
носителей заряда происходит под действием тепловой энергии,
процесс называют термогенерацией.
Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне
показаны на рис. 5, б кружками с указанием знаков зарядов;
стрелка означает процесс перехода электрона из валентной зоны
в зону проводимости, что соответствует увеличению его энергии.
Таким образом, в результате термогенерации в беспримес-
ном (собственном) полупроводнике образуются два типа под-
вижных носителей: электроны, имеющие концентрацию
и дырки, имеющие концентрацию рг-. В собственном полупро-
воднике, называемом полупроводником г-тип а, концентрации
подвижных электронов и дырок равны, т. е. нг- =рг-. Такие носи-
тели заряда называют собственными, а обусловленную ими
электропроводность — собственной.
Концентрация собственных носителей заряда является важным
параметром полупроводниковых материалов и зависит от ширины за-
прещенной зоны полупроводника и температуры.
Чем шире запрещенная зона, тем меньше концентрация
собственных носителей заряда. При комнатной температуре
Т = 27° С (300 К) концентрация собственных носителей заряда
в кремнии, германии и арсениде галлия соответственно равна
1О13,Ю10 и 108 см-3.
При введении в полупроводник атома
пятивалентного элемента (например, фосфора,
сурьмы или мышьяка) четыре его валентных электрона обра-
зуют валентные связи с четырьмя соседними атомами крем-
ния. Пятый валентный электрон оказывается избыточным,
имеет очень слабую связь и поэтому оторвать его от атома
и превратить в свободный носитель заряда можно, сообщив
ему весьма малую тепловую энергию (рис. 6). Разрешенный
энергетический уровень £ , возникающий вследствие введения
в полупроводник атомов пятивалентного элемента, распо-
лагается внутри запрещенной зоны ниже уровня Ес и характери-
зует энергию, которую необходимо сообщить пятому валент-
ному электрону, чтобы разорвать его связь с атомом.
При очень низкой температуре уровень Е,Л занят электро-
ном, который с ростом температуры переходит в зону про-
водимости. При этом нейтральный атом пятивалентного эле-
мента превращается в положительно заряженный ион, заряд
9
Рис. 6. Зонная энергетичес-
кая диаграмма полупро-
водника л-типа
кая диаграмма полупровод-
ника р-типа
которого обусловлен отсутствием валентного электрона. Энер-
гию, необходимую для разрыва валентной связи избыточного
электрона и образования иона, называют энергией ионизации
примеси. Образовавшийся положительный ион прочно связан
валентными электронами с атомами кремния и поэтому не
может перемещаться подобно дырке. Таким образом, при
введении в полупроводник пятивалентного примесного атома
образуются подвижный электрон и неподвижный положитель-
но заряженный ион. Положительно заряженной подвижной дыр-
ки при этом не образуется.
Пятивалентные примесные атомы называют донорами,
а образующиеся в результате их введения в полупроводник
разрешенные энергетические уровни — донорными. Примесные
полупроводники, содержащие атомы доноров, называют элек-
тронными или п-типа. Электропроводность полупроводников
и-типа определяется главным образом свободными электрона-
ми, которые переходят на уровни зоны проводимости как
с донорных уровней, так и в результате разрыва валентных
связей между атомами полупроводника. Таким образом, полу-
проводник и-типа содержит не только свободные электроны,
но и подвижные дырки, концентрация которых обычно намного
меньше концентрации свободных электронов. В полупроводни-
ке и-типа электроны являются основными, а дырки — неоснов-
ными носителями заряда.
При введении в полупроводник ато-
ма трехвалентного элемента (например, бора,
галлия или индия) одна из его валентных связей с соседним
атомом полупроводника оказывается незаполненной. Под
10
воздействием даже незначительной тепловой энергии электрон
одной из заполненных валентных связей между атомами полу-
проводника заполнит эту связь. На внешней оболочке трех-
валентного атома при этом появляется лишний электрон. В
результате трехвалентный атом превращается в неподвижный
отрицательно заряженный ион. Нарушенная валентная связь
может восстанавливаться за счет перехода электрона соседне-
го атома полупроводника, т. е. образуется дырка проводимости.
Трехвалентные примесные атомы называют акцепторами,
а образующиеся в результате их введения в полупроводник
разрешенные энергетические уровни — акцепторными. Полу-
проводники, содержащие атомы акцепторов, называют дыроч-
ными или р-типа. .
В полупроводнике p-типа (рис. 7) акцепторный уровень
Ел остается незаполненным только при очень низкой температу-
ре. При небольшом росте температуры один из электронов
валентной зоны переходит на акцепторный уровень, затратив
определенную энергию. В результате перемещения валентного
электрона возникают подвижная дырка проводимости в валент-
ной зоне и неподвижный отрицательно заряженный ион акцеп-
торной примеси.
В полупроводнике p-типа, как и в полупроводнике п-типа,
за счет разрыва валентных связей между его атомами под дей-
ствием тепловой энергии образуются пары подвижных электро-
нов и дырок. Поэтому полупроводник p-типа наряду с основ-
ными носителями заряда - дырками имеет незначительное коли-
чество неосновных носителей заряда — электронов.
Так как полупроводники всегда содержат два типа подвиж-
ных носителей заряда, их удельная электропроводность о скла-
дывается из электронной и дырочной составляющих:
о =Qnpn +qppp ,
где q — заряд электрона и равный ему по абсолютному значе-
нию заряд дырки; лир — концентрации электронов и дырок;
рпирр — подвижности электронов и дырок.
Подвижность электронов и дырок определяют как их
среднюю направленную скорость в полупроводнике при напря-
женности электрического поля Е = 1 В/см. Обычно подвижность
электронов выше подвижности дырок (табл. 2).
Так как в собственном полупроводнике концентрации
подвижных электронов и дырок равны (л,- = р,)его удель-
ная проводимость
с. = <7^ + ^) •
11
Таблица?. Подвижность электронов и дырок основных
полупроводниковых материалов при температуре 27 С (300 К)
Подвижность, см2/(В с) Ge Si CaAs
3800 1400 11 000
1800 520 450
Если концентрация одного из носителей заряда намного
больше, чем другого, формула упрощается. Так, для полу-
проводника и-типа
а для полупроводника р-типа
Таким образом, при одинаковых концентрациях примес-
ных атомов полупроводник и-типа обладает более высокой
удельной проводимостью, чем полупроводник p-типа, поскольку
подвижность электронов в нем больше подвижности дырок.
§ 3. ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
В современной твердотельной электронике для формиро-
вания активных и пассивных элементов, соединений между
ними, а также в качестве защитных покрытий и других случаях
широко применяют металлические, диэлектрические и магнит-
ные тонкие пленки. Понятие ’’тонкая пленка” весьма условно.
Обычно тонкими называют пленки толщиной не более 1 мкм.
Структура тонких пленок существенно отличается от струк-
туры массивных материалов, из которых их изготовляют,
а процесс формирования в значительной степени зависит не
только от выбранной технологии, но и От материала, а также
структуры подложки, на которую наносят пленку.
В тонких пленках большинство физических Процессов про-
текает иначе, чем в массивных материалах или толстых плен-
ках. Например, такой несущественный для массивных материа-
лов фактор, как шероховатость поверхности, становится важ-
ным для тонких пленок, поскольку влияет на коэффициент
зеркальности отражения электронов поверхностью, от кото-
рого зависят удельная электропроводимость и другие параметры
пленок. Влияние различных структурных дефектов, сравнимых
по размерам с толщиной тонких пленок, может быть весьма
12
существенным. Кроме того, в тонких пленках могут проявлять-
ся эффекты, отсутствующие в массивных материалах.
Важным свойством тонких пленок является возможность
изменения их удельной проводимости. Различные по физичес-
кой природе эффекты, которые вызывают изменение свойств
тонких слоев материалов, но не влияют на свойства этих же
материалов в виде массивных образцов, называют размерны-
ми. Структура пленок из большинства материалов зависит
также от толщины.
Металлические тонкие пленки приме-
няют для изготовления:
электродов пленочных конденсаторов, токопроводов спи-
ральных катушек индуктивности, магнитных проводников
и контактных площадок ИМС, затворов МДП-транзисторов;
пленочных резисторов;
вспомогательных элементов ИМС (подслоев электропро-
водящих пленок, масок и др.) .
Металлические тонкие пленки, используемые в качестве
электродов и токопроводов, обычно имеют толщину от 200 до
1000 нм, должны обладать высокими удельной проводимостью
и адгезией к поверхности пластины шли нижележащей пленке,
малым коэффициентом теплового расширения. Минимальная
ширина проводников ограничивается разрешающей способ-
ностью процессов литографии и составляет 4 — 20 мкм. Для
улучшения адгезии металлических пленок на диэлектрическую
пластину наносят подслой хрома, титана или марганца толщиной
10 — 30 нм. Изготовляют металлические тонкопленочные эле-
менты из золота, никеля, меди вакуумной плавки, алюминия,
молибдена, палладия, тантала, осмия и др.
При создании тонкопленочных резисторов ИМС на диэлек-
трическую пластину наносят пленку из материала, имеющего
высокое удельное сопротивление, соединяя ее концы с контакт-
ными площадками, выполняемыми из материала, обладающего
высокой удельной проводимостью. Тонкие резистивные пленки
изготовляют из хрома, тантала, палладия, а также металличес-
ких сплавов (нихрома МЛТ-ЗМ и др.).
Наносят тонкие металлические пленки в основном термо-
вакуумным напылением или ионно-плазменным распылением.
Пленки, наносимые первым методом, имеют толщину, изменяю-
щуюся в достаточно широких пределах, и не содержат инород-
ных включений, так как процесс проводят в высоком ваку-
уме. Второй метод пригоден для нанесения любых, в том числе
и из тугоплавких металлов пленок, которые отличаются повы-
шенной адгезионной способностью и высокой стабильностью
параметров.
13
Основные свойства наиболее распространенных металли-
ческих резистивных тонких пленок приведены в табл. 3.
Таблица 3. Свойства металлических резистивных пленок
Материал резистивной пленки Поверхностное сопротивле- ние, Ом/п Температур- Материал контактной ный коэффи- площадки циент сопро- тивления ( •104) в ин- тервале темпе- ратур от -60 до + 125° С
Хром Нихром 500 300 0,6 — 1,5 Медь с подслоем хрома -0,8-г + 2,0 Медь с подслоем ни-
Тантал 500 хрома —1,5 v—2,5 Золото с подслоем
Сплав МЛТ-ЗМ 350 - 450 хрома 0,2 — 2,0 То же
Диэлектрические тонкие пленки, обычно
используемые в качестве изоляционных слоев, диэлектрика
конденсаторов и защитных покрытий, в основном наносят
термовакуумным напылением, реактивным ионно-плазменным
распылением, а также распылением в высокочастотном раз-
ряде и термическим окислением.
Диэлектрические пленки характеризуются диэлектрической
проницаемостью, напряжением пробоя и критической напря-
женностью электрического поля.
В микроэлектронике наиболее широко в качестве кон-
струкционного материала используют пленки диоксида крем-
ния SiO2, свойства которых оказывают значительное влияние
на параметры исходного кремния, применяемого для произ-
водства полупроводниковых приборов и изделий микроэлек-
троники. Это объясняется тем, что вследствие разности работ
выхода электронов из кремния и диоксида кремния, а также
присутствия в пленках диоксида кремния трудно удалимых
положительно заряженных ионов щелочных металлов пленки
SiO2 приобретают положительный заряд относительно исход-
ного кремния. Под действием этого заряда в кремнии проис-
ходит перераспределение концентраций подвижных носителей
и изменение свойств приповерхностных слоев. При разработке
и изготовлении изделий микроэлектроники необходимо учи-
14
тывать эти явления, так как они существенно влияют на их
параметры.
§ 4. СВОЙСТВА КОНТАКТОВ
Физические свойства контактов металл — полупроводник
и полупроводник р-типа — полупроводник и-типа лежат в основе
принципов действия большинства полупроводниковых и микро-
электронных приборов. На границе раздела полупроводник —
металл или двух различных по типу электропроводности полу-
проводников возникают потенциальные барьеры, являющиеся
следствием перераспределения концентраций подвижных носи-
телей заряда между контактирующими материалами. Электри-
ческие свойства граничного слоя зависят как от значения, так
и от полярности приложенного внешнего напряжения. Если
граничные слои обладают нелинейными вольт-амперными харак-
теристиками (ВАХ), т. е. их электрическое сопротивление при
одной полярности напряжения больше, чем при другой, такие
слои называют выпрямляющими переходами. Нелинейные свой-
ства переходов используют для выпрямления электрического
тока, преобразования, усиления, генерации электрических сиг-
налов и др.
Рассмотрим физические свойства контакта двух полупро-
водников различных типов электропроводности, называемого
р-п-переходом или электронно-дырочным переходом. Для ха-
рактеристики свойств контактов вводят понятие уровня Фер-
ми. Под уровнем Ферми Ер понимают некоторый уровень,
энергия которого соответствует средней энергии электронов,
находящихся на внешней оболочке атома. Этот уровень может
располагаться внутри запрещенной зоны полупроводника,
а также выше дна зоны проводимости или ниже потолка валент-
ной зоны. Относительное положение уровня Ферми удобно
отсчитывать от середины запрещенной зоны, энергетический
уровень которой обозначают Положение уровня Ферми на
зонной диаграмме зависит от концентрации подвижных носи-
телей заряда в полупроводнике и температуры.
В полупроводнике н-типа основными носителями заряда
являются электроны, занимающие энергетические уровни, рас-
положенные выше уровня F и обладающие энергией, намного
превышающей энергию валентных электронов, находящихся
на внешней оболочке. Поэтому уровень Ферми занимает поло-
жение выше уровня Е}. В полупроводнике p-типа основными
носителями заряда являются дырки и, следовательно, на уров-
нях зоны проводимости находится небольшое количество элек-
тронов, на переброс которых из валентной зоны затрачена
15
энергия, превышающая ширину запрещенной зоны. Так как в
полупроводнике p-типа подавляющее большинство электронов
находится на уровнях ниже уровня, соответствующего Ей, уро-
вень Ферми занимает положение ниже уровня^-.
Если температура неизменна, а изменяется только концент-
рация донорных или акцепторных атомов, уровень Ферми бу-
дет изменять свое положение относительно середины запрещен-
ной зоны. При этом увеличение концентраций донорных и
акцепторных атомов вызовет соответственно смещение уровня
Ферми вверх и вниз от уровня С ростом температуры концент-
рация ’’энергичных” электронов увеличится, что вызовет сме-
щение уровня Ферми вверх от его положения при более низ-
кой температуре. Если уровень Ферми находится внутри запре-
щенной зоны, полупроводник называют невырожденным, а
если уровень Ферми находится внутри одной из разрешенных
энергетических зон, полупроводник называют вырожденным.
Свободные электроны полупроводника взаимодействуют
с его ионами. Следовательно, энергия электронов внутри полу-
проводника должна быть меньше энергии свободных электро-
нов. Для перехода электронов из полупроводника в вакуум
им необходимо сообщить кинетическую энергию. Минимальную
энергию, которую необходимо сообщить электрону для удале-
ния его за пределы полупроводника, называют работой выхода.
Можно определить работу выхода электрона, находящегося
на любом энергетическом уровне. Средняя работа выхода элек-
трона любого полупроводника равна энергии, необходимой для
его удаления с уровня Ферми в бесконечность.
а) 6)
Рис. 8. Зонные энергетические диаграммы невзаимодей-
ствующих полупроводников р- и и-типов (а, б)
16
На рис. 8, а, б показаны зонные энергетические диаграммы
невзаимодействующих равномерно легированных полупровод-
ников р- и «-типов, на которых Ео — уровень, энергия которо-
го соответствует энергии свободного электрона, т. е. удаленного
из полупроводника и не вступающего во взаимодействие с
электронами и ионами, находящимися в полупроводнике.
Работы выхода <рр и из полупроводников р- и «-типов оп-
ределяют как разности между положениями их уровней Ео
иЕр.
При термодинамическом равновесии уровни Ферми зани-
Рис. 9. Зонная энергетическая
диаграмма р-Р-псрехода
Рис. 10. Структура р-р-перс хо-
да (а) и распределения в
нем примесных атомов (б),
подвижных носителей заря-
дов (з), объемных зарядов
(г), напряженности электри-
ческого поля (д) и потен-
циалов (е) при термодинами-
ческом равновесии
17
мают одинаковые положения в полупроводниках р- и «-типа,
что позволяет достаточно просто изображать энергетические
диаграммы р-н-перехода (рис. 9) . Высота возникающего потен-
циального барьера равна разности работ выхода из полупровод-
ников р- и «-типа.
Рассмотрим основные свойства р-«-перехода на примере
контакта двух неодинаково легированных и противополож-
ных по типу электропроводности полупроводников. Электрон-
но-дырочный переход можно получить внутри полупроводника
(рис. 10, а), если в одну его область ввести атомы акцепторной
примеси, концентрация которой JVa, а в другую — атомы донор-
ной примеси, концентрация которой (рис. 10, б). Так как
при комнатной температуре все примесные атомы ионизирова-
ны, концентрации дырок в p-области и электронов в «-области,
т. е. основных носителей заряда на некотором удалении от гра-
ницы раздела двух полупроводников, можно считать равными
концентрациям атомов соответствующей примеси.
В условиях термодинамического равновесия, т. е. при
отсутствии внешнего электрического поля, произведение кон-
центрации основных носителей заряда на концентрацию не-
основных в одном и том же полупроводнике постоянно, что
для полупроводников р- и «-типа выражается следующими
соотношениями: ррпр = «? и ппрп = п?, где рр, пп и рп,пр -
равновесные концентрации соответственно основных и неос-
новных носителей заряда. Если принять, что концентрация ак-
цепторов больше концентрации доноров N , то равновес-
ная концентрация дырок в p-области будет рр а равновес-
ная концентрация электронов в «-области — пп
Поскольку концентрация дырок в p-области намного боль-
ше концентрации дырок в «-области, то дырки под действием
диффузии будут переходить из ^-области в «-область. При
этом в p-области у границы перехода останутся нескомпенси-
рованные ионы акцепторов и возникает отрицательный объем-
ный заряд Q^= - qNa . Дырки, переходя в «-область, реком-
бинируют с электронами, в результате чего концентрация элек-
тронов в «-области вблизи границы раздела уменьшается
(рис. 10, в).
Аналогичные процессы происходят при перемещении элек-
тронов из «-области в p-область. При этом в «-области остаются
не скомпенсированные объемные заряды ионов доноров и возни-
кает положительный объемный заряд Qp = <7^. Распределение
объемных зарядов по обе стороны границы раздела полупровод-
ников показано на рис. 10, г. В результате такого распреде-
ления образуется область объемного заряда с границами хр и
хп, в которой подвижные электроны и дырки практически
18
отсутствуют. Поэтому область объемного заряда имеет очень
высокое удельное сопротивление и ее называют запирающим
слоем.
Образование неподвижных положительных и отрицательных
зарядов в области объемного заряда приводит к возникнове-
нию электрического поля, которое направлено от и-области
к p-области (рис. 10, д'). При увеличении напряженности элек-
трического поля увеличивается сила F = qE, препятствующая
диффузионному перемещению дырок из p-области в «-область
и электронов в противоположном направлении. В результате
этих процессов устанавливается некоторая равновесная разность
потенциалов <рк, называемая контактной (рис. 10, е).
Таким образом, через р-н-переход проходят диффузионные
IpD и InD токи, обусловленные перемещением основных но-
сителей заряда — электронов и дырок через границу раздела
и дрейфовые 1рЕ и 1пЕ, создаваемые перемещением через р-н-
переход неосновных носителей заряда под действием возникаю-
щего электрического поля. В условиях термодинамического
равновесия суммарный ток через р-и-переход равен нулю, т. е.
IpD + InD + IpE +InE =0-
Область объемного заряда обладает емкостными свой-
ствами. Ширину этой области d =хп — хр можно рассматривать
как расстояние между двумя электродами конденсатора, кото-
рое изменяется в зависимости от степени легирования контак-
тирующих полупроводников и приложенного к р-и-переходу
внешнего напряжения.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каковы основные особенности полупроводниковых материалов?
2. Какие вещества являются сложными полупроводниками?
3. Какие полупроводники называют беспримесными (собственны-
ми) и какие примесными?
4. Каковы отлитая зонных диаграмм металлов диэлектриков и
полупроводников?
5. Как образуются электронно-дырочные пары в собственном полу-
проводнике?
6. Каково различие между донорными и акцепторными примес-
ными атомами?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
§ 5. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ
И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Полупроводниковые диоды являются наиболее распространенными
приборами, используемыми в дискретной и интегральной электронике,
и подразделяются по физическим явлениям, определяющим механизмы
их работы, конструктивно-технологическим признакам, параметрам
и областям применения.
Принцип действия выпрямительных и импульсных диодов
основан на способности р-н-перехода выпрямлять переменные
напряжения и токи, а стабилитронов и лавинно-пролетных дио-
дов (ЛПД) — на лавинном размножении носителей заряда.
Действие туннельных и обращенных диодов основано па тун-
нельном эффекте. Свойства р-н-перехода изменять свою ем-
кость при изменении приложенного напряжения лежат в основе
работы варикапов и параметрических диодов. Эффект выпрям-
ления в области контакта металл—полупроводник использует-
ся в диодах Шотки, которые применяют в быстродействую-
щих устройствах. Принцип действия диодов Ганна основан
на эффекте генерации СВЧ колебаний в полупроводнико-
вых соединениях типа AlnBv при приложении к ним постоян-
ного напряжения. Явление излучательной рекомбинации в
р-н-переходе используется в светоизлучающих диодах и полу-
проводниковых лазерах. Фотоэлектрический эффект лежит
в основе действия фотодиодов.
В зависимости от геометрических размеров областей р-п-
перехода диоды подразделяют на точечные, плоскост-
ные и микрополосковые. В точечных диодах
линейные размеры р-и-перехода соизмеримы с шириной облас-
ти объемного заряда, а в плоскостных диодах линейные разме-
ры, определяющие площадь р-н-перехода, значительно превыша-
ют ширину этой области.
По исходному материалу полупроводниковые диоды под-
разделяют на германиевые, кремниевые, из арсенида галлия,
фосфида индия и др.
Наиболее часто полупроводниковые диоды используют
для выпрямления переменного тока, что определяется нели-
нейностью и несимметричностью их вольт-амперной характерис-
тики, а также в схемах автоматики и вычислительной техники,
радиоэлектроники и мощных выпрямительных устройствах.
В зависимости от конструктивно-технологических признаков
20
и параметров полупроводниковые диоды используются в схемах
низкой (выпрямительные диоды), высокой (ВЧ диоды) и
сверхвысокой (СВЧ диоды) частоты, а также в импульсных
схемах (импульсные диоды).
Если к полупроводниковой структуре с р-п- переходом
приложить от внешнего источника напряжение U, высота потен-
циального барьера и распределение концентраций носителей
заряда, а следовательно, ширина запирающего слоя будут изме-
няться в зависимости от полярности этого напряжения.
Проходящий через р-и-переход ток
где /о —обратный ток; е — основание натурального логарифма;
U — приложенное напряжение; — тепловой потенциал, кото-
рый при комнатной температуре примерно равен 26 мВ.
При включении р-и-п ере хода в прямом
направлении, т.е. плюсом источника к p-области, а ми-
нусом к и-области, потенциальный барьер р-и-перехода снижает-
ся на qU (рис. 11, б) . В результате равновесное состояние нару-
шается и диффузионные составляющие электронного и дырочно-
го токов становятся больше дрейфовых составляющих При этом
через р-и-переход будут проходить главным образом диффузи-
онные токи, обусловленные перемещением электронов из
и-области в p-область и дырок в противоположном направле-
нии. Электроны и дырки, диффундирующие соответственно в
Рис. 11. Включение электронно-дырочного перехода в прямом направ-
лении (а), его энергетическая диаграмма (б) и изменение концентра-
ции носителей заряда (в)
21
р- и «-области диодной структуры вследствие уменьшения
между ними потенциального барьера, являются в каждой из
этих областей неосновными неравновесными носителями за-
ряда, распределение которых показано на рис. И, в. Такой
процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда.
Снижение потенциального барьера р-л-перехода приводит
к уменьшению напряженности электрического поля Е в облас-
ти объемного заряда и ширины этой области.
При включении р-л-перехода в обратном направлении,
т. е. плюсом внешнего источника к «-области, а минусом к
p-области (рис. 12, а), потенциальный барьер между р- и п-
областями повышается на qU (рис. 12, б), что вызывает нару-
шение равновесного распределения подвижных носителей за-
ряда. Однако в отличие от прямого направления приложения
напряжения диффузионные потоки основных носителей заря-
да — электронов и дырок через границу раздела резко умень-
шаются. При этом через р-н-переход будет проходить ток, обус-
ловленный дрейфом неосновных подвижных носителей заряда:
электронов из p-области в «-область и дырок из «-области в
p-область (рис. 12, в). Ширина области объемного заряда р-п-
перехода при этом увеличивается и, кроме того, увеличивается
напряженность электрического поля внутри нее. Причем вслед-
ствие перемещения из области объемного заряда неосновных
носителей, непосредственно прилегающих к границе раздела,
Рис. 12. Включение электронно-дырочного перехода в обратном
направлении (а), его энергетическая диаграмма (б) и измене-
ние концентрации носителей заряда (s)
22
эта область становится практически лишенной подвижных
носителей. Такое явление называют экстракцией неосновных
электронов и дырок.
Увеличение напряжения в обратном направлении приводит
к расширению запирающего слоя и возрастанию внутри него
напряженности электрического поля. Однако ток, проходящий
через р-и-переход, остается неизменным и определяется кон-
центрациями дрейфующих под действием поля неосновных
носителей. При этом ток, проходящий через р-п-переход, назы-
вают обратным током насыщения /0- В широких пределах
изменения напряжения этот ток может изменяться при измене-
нии концентраций неосновных носителей заряда в р- и «-облас-
тях, что происходит только при изменении температуры. Поэ-
тому . обратный ток насыщения называют также тепловым
током.
При прямом направлении (U > 0) ток, проходящий через
.диод, возрастает, а при обратном (U < 0) уменьшается, приб-
лижаясь к 10.
Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 13.
Если напряжение U > 0,1 В, то еи‘^Т » 1 и ток в прямом
направлении будет сильно возрастать, откуда следует, что
диод характеризуется односторонней проводимостью, т. е.
хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо — в
обратном.
Таким образом, диод, выполненный на основе р-п-перехода, обла-
дает выпрямляющим действием, что позволяет использовать его в ка-
честве выпрямителя переменного тока.
Как уже отмечалось, при рабочих обратных напряжениях
ток мал. Однако при некотором напряжении обратный ток дио-
Рис. 13. Вольт-амперная характе-
ристика диода
Рис. 14. Вольт-амперная ха-
рактеристика туннельного
пробоя
23
да быстро увеличивается, т. е. наступает пробой р-п- перехода,
под которым понимают резкое увеличение обратного тока,
когда обратное напряжение достигает определенного крити-
ческого значения.
Пробои р-и-переходов подразделяют на тепловые и элек-
трические. Тепловые пробои связаны с увеличением рассеивае-
мой мощности и, следовательно, температуры, а электричес-
кие — с увеличением напряженности электрического поля в за-
пирающем слое р-и-перехода и в свою очередь подразделяются
на туннельный, лавинный и поверхностный. Вольт-амперная
характеристика туннельного (или лавинного) пробоя показа-
на на рис. 14.
Наиболее распространен лавинный пробой, возникающий
в р-п-переходах с достаточно широкой областью объемного
заряда при обратных напряжениях, обычно превышающих 15 —
20 В, и заключающийся в так называемом лавинном размножении
носителей заряда в сильном электрическом поле под действием
ударной ионизации. Электрон и дырка в запирающем слое
р-л-перехода, ускоренные электрическим полем на длине свое-
го свободного пробега, могут при столкновении с атомами крис-
таллической решетки разорвать валентную связь. В результате
образуется новая пара электрон — дырка, и при ее участии
процесс повторяется. Таким образом, удельное сопротивление
области объемного заряда начинает уменьшаться, а ток резко
возрастает.
§ 6. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования пере-
менного тока в постоянный и работают в сравнительно узком диапазоне
частот (от 50 Гц до 100 кГц).
В настоящее время в качестве выпрямительных используют
главным образом германиевые и кремниевые диоды. По срав-
нению с германиевыми кремниевые диоды имеют ряд преиму-
ществ. Так, благодаря большей ширине запрещенной зоны их
допустимая рабочая температура, а следовательно, и предельно
допустимый прямой ток больше. Диапазон рабочих температур
кремниевых диодов изменяется от —70 до + 125° С, а германи-
евых — от —60 до + 85° С. Кроме того, кремниевые диоды
выдерживают более высокие обратные напряжения и имеют
меньшие обратные токи. Для сравнения на рис. 15, а, б показа-
ны семейства вольт-амперных характеристик кремниевого и
германиевого диодов при различных температурах.
Выпрямительные диоды характеризуются следующими пара-
метрами:
24
I, A
Рис. 15. Вольт-амперные характеристики германиевого (а) и кремние-
вого (6) выпрямительных диодов
постоянным падением прямого напряжения t/np при задан-
ном прямом токе/пр;
максимально допустимым падением обратного напряжения
^обр max’
постоянным обратным током Iобр;
максимально допустимой рассеиваемой мощностью PmaK,
при которой обеспечивается заданная надежность при длитель-
ной работе прибора в установленном температурном режиме.
В зависимости от максимально допустимого выпрямлен-
ного тока диоды можно подразделить на три группы: малой
мощности Znp < 0,3 А; средней мощности 0,3 </Пр < 10 А;
большой мощности/пр > 10 А.
Основные электрические и предельно допустимые пара-
метры некоторых серийно выпускаемых выпрямительных ди-
одов приведены в табл. 4.
Таблица 4. Основные параметры выпрямительных диодов
Тип диода ^обртах’ В 'пр’А и ,в пр’ , мкА обр
Кремниевый маломощный Д226 100 - 400 0,3 1 100
Германиевый средней мощ- ности Д305 50 10 0,35 1500
Кремниевый средней мощ- ности КД206 400 - 600 10 1,5 700
Столб кремниевый высоко- вольтный КЩОб 400-10 000 0,01 25 10
25
В некоторых случаях в технических условиях (ТУ) указы-
ваются средний выпрямленный ток /Пр ср выпрямительных
диодов, а также средний обратный ток /Обрср на максимальной
рабочей частоте /тах. Следует учитывать, что предельно до-
пустимые параметры выпрямительных диодов зависят от их
конструкции и температуры окружающей среды.
§ 7. ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ
Импульсные полупроводниковые диоды предназначены для работы
в схемах быстродействующих цифровых вычислительных устройств,
так как имеют малую длительность переходных процессов. Время пере-
ключения импульсных диодов обычно не превышает 1 мкс.
Основной причиной инерционности полупроводниковых
диодов при работе в импульсном режиме является накопление
неравновесных носителей заряда вне области объемного заряда.
При прохождении через диод прямого тока в р- и «-областях
создаются избыточные концентрации неосновных неравновес-
ных носителей заряда, которые могут во много раз превышать
концентрации неосновных равновесных носителей. После пре-
кращения прохождения прямого тока заряды неравновесных
носителей исчезают не мгновенно, а сохраняются в р- и «-облас-
тях в течение некоторого времени.
При быстром изменении прямого напряжения на обратное
в первый момент времени наблюдается резкое увеличение об-
ратного тока, а следовательно, и снижение обратного сопротив-
ления запирающего слоя р-п-перехода. Резкий выброс обратного
тока обусловлен тем, что избыточные неосновные носители
заряда втягиваются электрическим полем области объемного
заряда в те области, где они являются основными носителями.
После того как концентрации неосновных носителей в р- и
«-областях достигнут равновесных значений, ток уменьшает-
ся до установившегося значения и восстанавливается обратное
сопротивление диода.
Переходная характеристика импульсного диода, т. е. зави-
симость протекающего через него тока от времени- при изме-
нении напряжения, показана на рис. 16. Интервал времени
между моментом переключения напряжения с прямого на об-
ратное и моментом, когда обратный ток достигает установив-
шегося значения, называют временем восстановления обрат-
ного сопротивления твос. Быстродействующие импульсные
диоды имеют тВОс = 0,1 4-10 мкс, а сверхбыстродействующие —
твос < мкм- Интервал времени от начала импульса прямого
тока до момента, когда напряжение на диоде уменьшится до
26
Рис. 16. Переходная харак-
теристика импульсного диода
Рис. 17. Зависимость падения
напряжения на импульсном
диоде от времени
1,2 установившегося значения, называют временем установле-
ния прямого сопротивления диода т т. Зависимость падения
напряжения на импульсном диоде от времени показана
на рис. 17.
Важными параметрами ипульсных диодов являются также
максимальное импульсное сопротивление АимП, определяемое
отношением максимальной амплитуды импульса прямого
напряжения на диоде к протекающему через него току, и мак-
симальный ток восстановления, определяемый как наибольший
обратный ток, протекающий через диод после переключения
напряжения на нем с прямого направления на обратное.
Кроме того, импульсные диоды характеризуются емкостью
Сд, которая должна быть как можно меньше, постоянным
прямым напряжением t/np при заданном постоянном токе
7Пр и обратным током/обр при заданном обратном напряжении.
Предельные режимы работы импульсных диодов зависят от
максимальных обратного напряжения £70бр.тах и прямого
импульса тока/пр имп.
Основные параметры некоторых импульсных диодов при-
ведены в табл.5.
Таблица 5. Основные параметры импульсных диодов
Тип Диода I , ПР мА V I « . обр мкА и - обетах’ I ,U , т , пр.имптах пр.имптах вое мА В мкс Сд’ пф
Д310 500 0,6 20 20 2,4 0,3 15
Д311 40 0,4 100 30 500 1,25 0,05 1,5
Д220 50 0,55 1 50-100 1,5 3,75 0,5 15
27
Продолжение табл. 3
Тип диода /пР’ мЛ I г , обр’ мкА U R обетах’ / ,и пр.имптах пр.имптах мА В т ВОС* мкс С . II пс!>
ГД511А 15 0,6 50 12 50 — 1
КД503Б 20 1,2 10 30 200 3,5 0,01 2,5
КД510А 200 1,1 5 50 1500 70 0,004 4
§ 8. ДИОДЫ СВЧ
Диоды СВЧ предназначены для работы в схемах быстродействующи ;
цифровых и аналоговых устройств в диапазонах дециметровых, санти-
метровых и миллиметровых длин волн.
Первые диоды СВЧ были точечными и выполнялись из
германия или кремния. Такие диоды выполнялись в виде крис-
талла полупроводника и контактирующей с его поверхностью
тонкой заостренной металлической проволочки. При этом
корпус диода должен был иметь минимальные собственные
емкость и индуктивность и обеспечивать надежное крепление
кристалла и металлической проволочки. Такая конструкция
диодов СВЧ не обеспечивала воспроизводимость их парамет-
ров и надежность. Современные диоды СВЧ отличаются от
выпрямительных и импульсных диодов только меньшими гео-
метрическими размерами р-п- пере ходов.
Эксплуатационные свойства диодов СВЧ характеризуются
рабочей частотой, коэффициентом шума, потерей работоспособ-
ности. Важнейшим параметром диодов СВЧ является емкость,
которая должна быть как можно меньшей для увеличения ско-
рости переключения и расширения диапазона рабочих частот.
Наиболее перспективными являются мощные СВЧ диоды
с так называемой p-i-n структурой, представляющей собой две
сильно легированные области р- и и-типа, разделенные достаточ-
но широкой областью, проводимость которой близка к собствен-
ной. Емкость p-i-n структуры определяется геометрическими
размерами /области и проявляет очень слабую зависимость
от приложенного напряжения. Увеличивая длину /области,
можно получить достаточно малые емкости даже при больших
площадях p-i-n структур, что позволяет изготовлять СВЧ диоды
имеющие мощность рассеивания до 10 кВт.
Вольт-амперные характеристики СВЧ диодов такие же, как
и обычных диодов. По назначению и области применения СВЧ
диоды подразделяют на детекторные, переключательные, смеси-
тельные, у множительные, модуляторные.
28
§ 9. ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ
Туннельные диоды имеют ограниченное применение и предназна-
чены главным образом для схем цифровых устройств мажоритарной
логики. Области их применения будут расширяться.
Туннельные диоды представляют собой двухполюсные полу-
проводниковые приборы, р-н-переход которых образуется при
контакте двух сильнолегированных полупроводников различ-
ных типов электропроводности. Вольт-амперная характеристика
туннельных диодов имеет участок отрицательной проводимос-
ти, проявляющийся при прямом включении р-н-перехода
Рис. 18. Вольт-амперная характе-
ристика туннельного диода
Рис. 19. Зонные энергетические
диаграммы туннельного диода при
термодинамическом равновесии
(а), частичном (6), полном (в)
перекрытии и отсутствии перекры-
тия (г) энергетических уровней зон
проводимости и валентной зоны
29
(рис. 18). Особенностями туннельных диодов являются очень
малые удельные сопротивления р- и «-областей и весьма незна-
чительная ширина области объемного заряда.
Концентрации примесных атомов в р- и «-областях туннель-
ных диодов обычно более 1019 см-3. При этом уровни Ферми
полупроводников р- и «-типов располагаются в одной из раз-
решенных энергетических зон. Такие сильнолегированные полу-
проводники называют вырожденными.
Принцип действия туннельного диода долгое время не на-
ходил удовлетворительного объяснения. Чтобы понять его,
рассмотрим особенности энергетических зонных диаграмм
р-и-перехода, образуемого контактирующими вырожденными
полупроводниками (рис. 19, а - г).
При термодинамическом равновесии на энергетической
зонной диаграмме туннельного р-и-перехода (рис. 19, а) нижняя
часть зоны проводимости области и-типа и верхняя часть валент-
ной зоны области p-типа разделены очень узким запирающим
слоем, ширина которого обычно не превышает 10 — 15 нм.
Если принять, что в равновесном состоянии контактная
разность потенциалов « 0,7 В, то напряженность электричес-
кого поля внутри запирающего слоя р-и-перехода будет Е я»
« 5 -10s В/см. При этом подвижные носители заряда приобрета-
ют возможность переходить из одной области р-и-перехода в
другую, не изменяя своей энергии, т. е. не преодолевая потен-
циального барьера. Такие переходы, осуществляющиеся по
горизонтали, называют туннельными. Поэтому диоды, работа-
ющие на основе этого эффекта, также называют туннельными.
Туннельный переход электрона из одной области в другую
возможен только, если в области, куда он переходит, сущест-
вует свободный энергетический уровень, энергия которого
равна энергии переходящего электрона. Поскольку потолок
валентной- зоны в области p-типа содержит в основном свобод-
ные энергетические уровни (заштрихованная часть зоны), а
дно зоны проводимости в области и-типа — заполненные элек-
тронами уровни (заштрихованная часть зоны), то туннельный
переход электрона из «-области в p-область наиболее вероятен
при взаимном перекрытии этих (заштрихованных) частей
зон (рис. 19, б, в, г) .
В условиях термодинамического равновесия (рис. 19, а)
количества электронов, туннелирующих из «-области в р-об-
ласть и обратно, одинаковы. В этом случае ток, проходящий
через туннельный р-и-переход, равен нулю, что соответствует
точке 0 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 18).
При прямом включении р-и-п е р е х о д а за-
штрихованные части зон начинают перекрываться (рис. 19, б)
30
Я за счет перехода электронов из «-области в p-область возника-
ет туннельный ток. При прямом напряжении U2, зависящем
от степени легирования полупроводников, этот ток достигает
максимального значения (см. точку 1 на рис. 18) и происходит
полное перекрытие заштрихованных участков зон (рис. 19, в).
При дальнейшем увеличении прямого напряжения потенциаль-
ный барьер еще более снижается и при напряжении U2 туннель-
ный ток полностью прекращается (см. точку 2 на рис. 18),
при этом заштрихованные зоны не перекрываются (рис. 19, г).
Однако полный ток через р-и-переход при этом не равен нулю,
что обусловлено появлением диффузионного тока, характер-
ного для обычного диода при уменьшении потенциального
барьера между р- и «-областями. При дальнейшем повышении
прямого напряжения диффузионный ток, как видно из рис. 18,
увеличивается.
При обратном включении р-п-п е р е х о д а
происходит туннелирование электронов из p-области в «-об-
ласть и обратный ток резко возрастает, что соответствует тун-
нельному пробою р-и-перехода.
Туннельные диоды работают при малых прямых напряже-
ниях (десятые доли вольта) и относительно небольших токах
(единицы миллиампер). Вследствие малой инерционности
туннельного эффекта отрицательная проводимость р-и-перехода
этих приборов не зависит от частоты.
Основные параметры туннельных диодов приведены в
табл. 6.
Таблица 6. Основные параметры туннельных диодов
Тип диода Jmax’MA maximin (71, мВ Сд,пФ
АИ101А 1 5 160 4
АИ301А 1,6 - 2,4 8 180 12
ГИ304А 4,5 - 5,1 5 75 20
ГИ307А 1,8 - 2,2 7 70 - 90 20
Разновидностью туннельных являются обращенные диоды,
особенность которых состоит в отсутствии максимума тока
на прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис. 20).
Такую характеристику можно получить, если концентрации
примесных атомов в р- и «-областях подобрать так, чтобы на
энергетической диаграмме границы зоны проводимости п-
области (уровень Ес) и валентной зоны p-области (уровень
,Е ) совпадали при отсутствии внешнего напряжения. В этом
31
Рис. 20. Вольт-амперная
характеристика обращен-
ного диода
случае туннельный эффект при прямом
включении р-и-перехода отсутствует и
прямой ток определяется только ин-
жекцией неосновных носителей заря-
дов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие физические явления лежат
основе действия полупроводникового дио-
в
да?
2. Какие типы диодов вы знаете?
3. Какое направление приложения напря-
жения для р-л-перехода является прямым
и какое - обратным?
4. Что такое инжекция и экстракция носителей зарядов?
5. Как изменяется ширина области объемного заряда р-л-перехода
при приложении напряжения в прямом и обратном направлениях?
6. Какие основные виды пробоя р л-переходов вы знаете?
7. Какими параметрами характеризуются выпрямительные, импульс-
ные и СВЧдиоды?
8. Каковы принципы действия туннельных и обращенных диодов?
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
§ 10. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ
И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Биполярные транзисторы представляют собой трехзлектродиые
полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования
токов, напряжений и мощностей и основанные иа взаимодействии двух
встречно включенных р-л-переходов.
Термин транзистор образован сокращением английских
слов transfer — преобразовывать и resistor — сопротивление.
В биполярных транзисторах, которые обычно называют
просто транзисторами, электрический ток через р-и-переходы
обусловлен направленным движением подвижных носителей
зарядов обоих типов — инжекцией и экстракцией электронов
и дырок. Два р-л-перехода, являющиеся основными конструк-
тивными элементами транзистора, создаются на границах трех
областей полупроводникового материала с чередующимися
типами электропроводности. В зависимости от порядка чередо-
32
Рис. 21. Структура (а), зонная энергетическая диаграм-
ма (б) и условное графическое обозначение (в) би-
полярного транзистора п-р-п-типл
вания этих областей транзисторы бывают п-р-п- и р-л-р-типов.
Так как в электронной технике наиболее широко применяют
транзисторы л-р-л-типа, рассмотрим только их.
Структура, зонная энергетическая диаграмма и условное
графическое обозначение транзистора л-р-л-типа показаны
на рис. 21. Один крайний сильно легированный слой (л+-типа)
называют эмиттером, другой крайний слой (л-типа) — коллек-
тором, а средний слой (р-типа) — базой. Границы раздела между
эмиттером и базой и между базой и коллектором соответствен-
но называют эмиттерным и коллекторным переходами.
В области базы происходит инжекция неосновных для нее
носителей заряда из области эмиттера. Назначение области
.Коллектора — экстракция носителей заряда из базы. Области
эмиттера, базы и коллектора транзистора имеют невыпрямляю-
-Щие металлические контакты.
Напряжение на эмиттерный переход транзистора обычно
Подают в прямом направлении, ана коллекторный — в обратном.
2-475 33
Такой способ включения транзистора называют нормальным,
или прямым. Существует также инверсный, или обратный,
способ, при котором эмиттерный переход включен в обратном
направлении, а коллекторный — в прямом.
Работа транзистора как усилительного прибора может быть
обеспечена, если ширина базовой области достаточно мала
(примерно от 1 до 5 мкм). Основные свойства транзистора
определяются физическими процессами, происходящими в ба-
зе. В зависимости от механизма перемещения неосновных
носителей через базу различают бездрейфовые транзисторы,
в которых заряды переносятся от эмиттера к коллектору в
основном диффузией, и дрейфовые, в которых заряды перено-
сятся также в результате дрейфа носителей в ускоряющем
электрическом поле базы. Ускоряющее электрическое поле
возникает в базе, если концентрация примесных атомов в ней
является неравномерной и уменьшается в направлении от эмит-
терного перехода к коллекторному. Бездрейфовые транзисторы
имеют рабочие частоты, не превышающие 100 МГц, тогда как
полоса рабочих частот дрейфовых может быть во много раз
больше.
В зависимости от максимальной частоты транзисторы под-
разделяют на низкочастотные, предназначенные для работы в
звуковом и ультразвуковом диапазонах частот (до 30 МГц),
высокочастотные (до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (вы-
ше 300 МГц).
По технологии изготовления р-л-переходов транзисторы
подразделяют на сплавные, диффузионные, сплав но-диффу-
зионные, меза, эпитаксиальные, планарные и эпитаксиально-
планарные, ионно-имплантационные. Транзисторы выпускают-
ся в герметичных металло-стеклянных, металло-керамических
или пластмассовых корпусах, а также без корпусов. Бескорпус-
ные транзисторы защищают от воздействий внешней среды
тонкими слоями лаков, смол, легкоплавких стекол и гермети-
зируют вместе с устройством, в котором их монтируют.
Большинство современных транзисторов как дискретных,
так и в качестве активных элементов интегральных схем из-
готовляют из кремния; реже используют германий, арсенид
галлия и некоторые другие полупроводниковые материалы.
§ 11. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ
При включении транзистора в электрическую схему один
из электродов (базы, эмиттера или коллектора) всегда является
общим для входной и выходной цепей. В соответствии с этим
существуют три схемы включения транзисторов: с общими
базой (ОБ), эмиттером (ОЗ) и коллектором (ОК).
34
При включении
транзистора по
схеме ОБ (рис. 22, а)
электрод базы является об-
щим ДДЯ входной и выход-
ной цепей, т. е. напряже-
ния на эмиттере и кол-
лекторе £/эб и £/кб (см.
рис. 21, а) задаются от-
носительно базы. Такая
схема имеет низкое вход-
ное и высокое выходное
сопротивления.
Если эмиттерный пере-
ход включен в прямом
направлении, потенциаль-
ный барьер (см. рис. 21, б)
между эмиттером и базой
снижается и происходит ин-
жекция электронов из
эмиттера в базу, а дырок —
из базы в эмиттер. В ре-
зультате возникает ток
эмиттера Z3. Инжектирован-
ные электроны проходят
через базу и, дойдя до
коллекторного перехода,
захватываются (экстраги-
руются) его сильным по-
лем в коллектор.При этом
в выходной цепи транзис-
Рис. 22. Схемы включения биполяр-
ного транзистора с ОБ (а), ОЭ (б)
и ОК (в)
тора возникает ток коллектора ZK, которым определяется
падение напряжения. В процессе перемещения электронов через
базу некоторая их часть рекомбинирует с основными носи-
телями базы — дырками, что является паразитным процессом,
так как снижает ток коллектора ZK. Для восполнения про ре-
комбинированных дырок в базу через общий электрод непре-
рывно поступают новые основные носители — дырки. Токи
транзистора связаны следующим соотношением:
Обычно стремятся уменьшить ток базы Z6, снижая интен-
сивность рекомбинационных процессов в ней, что увеличивает
ток коллектора ZK.
Основным параметром биполярных транзисторов, включен-
2* 35
кых по схеме ОБ (рис. 22, а), является коэффициент переда-
чи тока
a=IJI3.
Так как /к < /э, то при включении транзистора по схеме
ОБ всегда а <_ 1 и для большинства современных транзисторов
изменяется от 0,98 до 0,9999. Поэтому схему ОБ используют
только для усиления напряжения.
При включении транзистора по схеме
ОЭ (рис. 22, б) общим для входной и выходной цепей является
электрод эмиттера. Такая схема имеет более высокое входное
и более низкое выходное сопротивления, чем схема ОБ.
Транзистор, включенный по схеме ОЭ (рис. 22, б) , имеет
более высокое входное и более низкое выходное сопротивления,
чем транзистор в схеме ОБ. Схема ОЭ обладает усилением
как по току, так и по напряжению, что определяет широкое
использование такого включения транзистора. Коэффициент
усиления тока В определяется отношением выходного тока
/к к входному току/б:
в=ЛЖ -'к) = (W/O -w =«/(1 -«) •
При включении транзистора по схеме ОК (рис. 22, в) общим
для входной и выходной цепей является электрод коллектора.
Такая схема имеет высокое входное и низкое выходное сопро-
тивления. Коэффициент усиления тока транзистора в схеме
ОК примерно такой же, как в схеме ОЭ, а коэффициент усиле-
ния напряжения — около единицы. Так как включенный в
прямом направлении эмиттерный переход транзистора в схеме
ОК имеет небольшое сопротивление, падение напряжения на
нем не зависит от тока базы. Поэтому изменение выходного
напряжения на эмиттере как бы повторяет изменение напря-
жения входного сигнала на базе и схему ОК в основном исполь-
зуют для построения эмиттерных повторителей, 'Обладающих
высоким входным и низким выходным сопротивлениями
и предназначенных для согласования электрических цепей.
Коэффициент усиления тока транзистора в схеме ОК равен
5=/э//б = 1/(1-а) .
Физические процессы, протекающие в транзисторах, в от-
личие от их характеристик и параметров не зависят от схем
включения. Так, усиление тока, напряжения или мощности
можно изменять в широких пределах, выбрав соответствующую
схему включения и параметры внешней цепи.
36
§ 12. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ
Для того чтобы установить взаимосвязи между входными
и выходными токами и напряжениями транзистора, включен-
ного по одной из рассмотренных схем, его можно представить
в виде четырехполюсника (рис. 23). Такой четырехполюсник
характеризуется зависимостями между напряжениями U3, UK
и токами/э,/к на входе и выходе.
Транзистор, включенный по схеме ОБ, характеризуется
входным напряжением между внешними зажимами эмиттера
и базы UBX = U3;
входным током в цепи эмиттера 1В х
выходным током в цепи коллектора I вых =ZK;
выходным напряжением между внешними зажимами кол-
лектора и базы ивык= UK.
Зависимости между этими токами и напряжениями можно
вычислить или определить экспериментально. Определив эти
зависимости для постоянных токов и напряжений и представив
их в графической форме, получают семейство статических
вольт-амперных характеристик транзистора. Наиболее типичны
коллекторные (выходные) и эмиттерные (входные) характе-
ристики транзистора.
Рис. 23. Схема биполярного тран-
зистора, представленная в виде
четырехполюсника
Рис. 24. Семейства выходных
(а) и входных (б) статичес-
ких вольт-амперных характерис-
тик транзистора
37
Выходные характеристики (рис. 24, а) показывают зави-
симость тока коллектора 1К от напряжения UK на нем и различ-
ных токах эмиттера/э, т. e.ZK =f(UKI3). Входные характеристи-
ки (рис. 24, б) показывают зависимость тока эмиттера 13 от
напряжения U на нем и различных токах коллектора UK, т. е.
I3=f[U3,UK).
В зависимости от соотношения полярности напряжений
на эмиттерном и коллекторном переходах различают следую-
щие режимы работы транзистора (рис. 24, а) .
В активном режиме, при котором UK > О, U3 <
< 0 (или 13 < 0), транзистор обладает способностью усиливать
сигналы по мощности.
В режиме насыщения, при котором UK < 0, U3 <
< 0 (или 13 < 0), коллекторный переход включен в прямом
направлении и инжектирует неосновные носители зарядов в
базу транзистора, что увеличивает время его переключения,
снижая быстродействие схемы.
В режиме отсечки, при котором UK > 0, U3 > 0
(или 13 > 0), ток коллектора очень мал и не зависит от напряже-
ния на нем, что не позволяет использовать транзистор в качестве
усилительного элемента.
Кроме того, транзистор может работать в так называемом
инверсном активном режиме, при котором
эмиттерный переход используется в качестве коллекторного
и наоборот. При этом эмиттерный переход включен в обратном
направлении (U3 > 0), а коллекторный — в прямом ((/к < 0).
Для этого режима характерны низкий коэффициент (инвер-
сный) передачи тока.
При исследовании работы транзисторов на переменном
токе можно использовать экивалентную схему (рис. 25), кото-
Рис. 25. Упрощенная эквивалентная Т-образная
схема биполярного транзистора
38
рая состоит из сопротивлений эмиттерного гэ и коллектор-
ного гк переходов и объемного сопротивления базы гб. Свой-
ства транзистора как активного элемента характеризуются
на эквивалентной схеме включением параллельно сопротив-
лению коллекторного перехода генератора тока, задающего
ток коллектора 7К = а1э, не зависящий от сопротивления на-
грузки.
Сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов
и коэффициент передачи тока эквивалентной схемы транзис-
тора определяют по следующим формулам:
г =&U /Ы при U = const;
э э' э к 7
Гк =^UK/£JK при 1э = const;
а=Д/, /Д/ при U = const,
К1 э г к *
где Д/э, Д/к и Д17э, Д<7К — приращения токов эмиттера и кол-
лектора и напряжений на эмиттерном и коллекторном перехо-
дах.
Сопротивление базы гб значительно зависит от ее конфи-
гурации и геометрических размеров, свойств материала, а также
режимов работы транзистора.
При больших обратных напряжениях, прикладываемых
к коллекторному переходу, ток коллектора резко увеличива-
ется в результате лавинного размножения подвижных носителей
в области объемного заряда. При напряжении UK проб наступа-
ет пробой коллекторного перехода и транзистор выходит из
нормального режима работы.
§ 13. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ И ЧАСТОТНЫ Е СВОЙСТВА
Усилительные свойства транзистора, включенного по схеме
ОБ, зависят от коэффициентов передачи тока а, инжекции
эмиттера 7 и переноса тока через базу /3, которые определяют
также коэффициент усиления тока В транзистора.
Так как формулы для расчета коэффициентов передачи
тока а и В были приведены в § 11, рассмотрим, как опреде-
ляют два других коэффициента.
Как уже отмечалось, ток: змиттера 1Э обусловлен направ-
ленным движением носителей обоих типов через эмиттерный
переход, поэтому его можно представить в виде суммы элек-
тронной 1зп и дырочной 1эр составляющих:
I =1 +1 .
Э ЭИ эр
Ток коллектора содержит электронную составляющую
тока эмиттера, так как обусловлен только электронами, инжек-
тируемыми в базу эмиттерным переходом и достигающими
39
коллекторного перехода. Для определения доли электронной
составляющей 1эп в полном токе эмиттера, полезной для ра-
боты транзистора, вводят коэффициент
При изготовлении транзисторов стремятся, чтобы значение
7 было как можно ближе к единице, для чего повышают удель-
ное сопротивление базы и понижают удельное сопростивление
эмиттера. Зависимость коэффициента инжекции от удельных
сопротивлений эмиттера и базы определяется формулой:
7 = 1 -Рэ/Рб •
Неосновные носители заряда — электроны, инжектируемые
в базу, перемещаются в направлении к коллекторному переходу
как в результате диффузии, так и дрейфа. При однородно леги-
рованной базе носители перемещаются только диффузией. Если
же концентрация примесных атомов в базе уменьшается в
направлении от эмиттера к коллектору, то в ней возникает
ускоряющее электрическое поле, которое значительно влияет
на перемещение носителей.
Независимо от механизма перемещения носителей в об-
ласти базы часть электронов рекомбинирует в течение времени,
необходимого для их прохождения от эмиттерного перехода
до коллекторного. Влияние рекомбинации электронов в базе
на ток коллектора учитывается коэффициентом переноса
Зависимость коэффициента переноса носителей от ширины
базы определяется следующей формулой:
/3 = 1 — 4 (W/L)2,
где W - ширина базы; L — диффузионная длина, определяю-
щая интенсивность процессов рекомбинации инжектируемых
электронов в базе.
Между коэффициентами а, у и /3 существует следующая взаи-
мосвязь: а =7/3.
Таким образом, коэффициент передачи тока транзистора
в схеме ОБ — это произведение коэффициентов инжекции и
переноса. Если воспользоваться формулами для определения
коэффициентов у и (3,
а = (1—рэ/рб) (1-4 (W/L)2).
Отсюда следует, что для повышения коэффициента а не-
обходимо, чтобы база транзистора имела относительно большое
сопротивление.
40
Частотные свойства транзистора определяются временем
задержки тзад распространения сигнала, которое зависит от
времени пролета тпр неосновных носителей заряда через базу
и времен перезаряда тэ и тк емкостей соответственно эмиттер-
ного и коллекторного переходов. На эти параметры влияют
конструктивные особенности и режимы работы транзистора,
а также сопротивления внешних цепей. Так как в основном
частотные свойства биполярных транзисторов, предназначенных
для работы на низких и средних частотах, зависят от времени
пролета тпр носителей через базу, то тзад тПр На высоких
частотах необходимо учитывать все составляющие времени
задержки распространения сигнала, т. е.
т —т + т + т .
зад э пр к
Частотные свойства транзистора в схеме ОБ определяются
граничной частотой fa, которая непосредственно связана с
временем задержки тзад следующим соотношением: fa —
= 4 ятзад-
§ 14. ТРАНЗИСТОРЫ ВЧ И СВЧ
Транзисторы ВЧ и СВЧ предназначены для работы в схемах быстро-
действующих и аналоговых устройств и, как правило, являются дрей-
фовыми, т. е. имеют внутреннее ускоряющие ноле в базовой области.
Предельная граничная частота СВЧ транзисторов около
10 ГГц.
Структура транзистора СВЧ, распределение концентраций
примесных атомов и изменение напряженности электрического
поля в базовой области показаны на рис. 26, а - в.
Транзисторы ВЧ и СВЧ, получаемые по планарной техно-
логии методом двойной диффузии, обладают высокими гранич-
ными частотами, что обусловлено следующими причинами:
возможностями формирования узкой базовой области (W <
< 1 мкм) и создания р-л-переходов небольших площадей, а
также образованием в базе ускоряющего электрического поля,
обусловленного перераспределением основных носителей из
области с более высокой концентрацией в области с менее вы-
сокой. В областях, из которых уходят подвижные носители,
возникает нескомпенсированный электрический заряд иони-
зированных примесных атомов. При этом электрическое поле
всегда направлено так, что способствует движению неоснов-
ных носителей, инжектируемых из эмиттера в базу. Напряжен-
ность внутреннего электрического поля в базе не зависит от
приложенных внешних напряжений.
41
<я
Особенностью ВЧ и
СВЧ транзисторов как ак-
тивных элементов явля-
ется их способность уси-
ливать мощность на опре-
деленных частотах, кото-
рая характеризуется мак-
симальной частотой гене-
рации
f =\М 130 т ,
Jmax v а.1 к ’
где а0 — коэффициент
передачи тока на низкой
частоте; fa — граничная
частота, Гц; тк — посто-
янная времени коллек-
торного перехода, пс.
Подкоренное выраже-
ние в этой формуле, назы-
ваемое фактором качест-
ва транзистора FK, опре-
деляется физическими и
геометрическими пара-
метрами транзисторной
структуры.
Сопротивления и ем-
кости отдельных областей
ВЧ и СВЧ транзисторов
Рис. 26. Структура (а), распределение
концентраций примесных атомов (б)
и изменение напряженности электри-
ческого поля в базе СВЧ транзистора
(в):
1,2- участки тормозящего и ускоряю-
щего полей
имеют очень жесткие ог-
раничения. Чтобы умень-
шить сопротивление базы,
планарные дрейфовые
транзисторы часто имеют
многоэмиттерную кон-
струкцию, для чего вместо одного формируют несколько эмит-
теров в виде узких полос, расположенных между выводами базы.
Создание СВЧ транзисторов потребовало разработки спе-
циальных корпусов, в которых использованы ленточные вы-
воды, позволяющие снизить их индуктивность.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
L. Каков принцип действия биполярных транзисторов?
2. Каковы особенности бсздрейфовых и дрейфовых биполярных
транзисторов?
42
3. Как образуются токи эмиттера, коллектора и базы?
4. Какие схемы включения транзистора вы знаете и каковы их
особенности?
5. Какие режимы работы транзисторов вы знаете?
6. От чего зависит полный ток эмиттера?
7. Как влияет на перемещение неосновных носителей заряда в базе
внутреннее электрическое поле?
8. Какие коэффициенты’ определяют усилительные свойства тран-
зисторов?
9. Чем определяются частотные свойства транзисторов?
ГЛАВА Ч ЕТВЕРТАЯ
УНИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
§ 15. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Униполярные транзисторы — это твердотельные усилительные прибо-
ры, в основе работы которых используются процессы направленного
перемещения подвижных носителей заряда только одного типа - элек-
тронов нли дырок. Важнейшей особенностью униполярных транзисторен
является то, что оии обладают высоким входным сопротивлением
и поэтому управляются напряжением, а не током, как биполярные тран-
зисторы.
Использование униполярных транзисторов в ряде элек-
тронных устройств позволило существенно упростить схемы,
повысить их надежность, уменьшить геометрические размеры
и улучшить эксплуатационные характеристики.
Униполярные транзисторы подразделяют на два больших
Рис. 27. Структура униполярного транзистора с управляющими
и р-л-переходами
класса: с управляющими р-м-пе реходами и со структурой ме-
талл — диэлектрик — полупроводник (МДП-транзисторы).
Принцип действия униполярных транзисторов с управляю-
щими р-.ч-переходами (рис. 27) основан на изменении сопротив-
ления активного слоя (канала) расширением области объем-
ного заряда при обратном включении р-л-перехода.
Омические выводы, выполненные от противоположных
сторон полупроводника л-типа, называют истоком И и стоком
С. Как видно из рис. 27, при включении униполярного тран-
зистора исток и сток можно менять местами, не изменяя при
этом характеристик прибора. Выводы от p-областей, называе-
мые затворами (3), как правило, соединены между собой.
Поэтому корпус униполярного транзистора имеет только один
внешний вывод от затвора.
Область л-типа шириной И7, расположенную между облас-
тями объемных зарядов верхнего и нижнего управляющих
р-л-переходов, называют каналом. При приложении напряжения
Uc между истоком и стоком в цепи сток — исток начинает
проходить ток 1С, зависящий от сопротивления канала. Если
приложить напряжение U3 к стоку плюсом, а к затвору мину-
сом, оба управляющих р-л-перехода сместятся в обратном
направлении, т. е. ширина d области объемного заряда каждого
из них увеличится и, следовательно, ширина W канала, через
который проходит ток, уменьшится. Отсюда следует, что, из-
меняя напряжение С73 на затворе, можно управлять током стока.
В электронной технике получили широкое распространение
МДП-транзисторы, в которых в качестве диэлектрика использу-
ется диоксид кремния SiO2. Такие, приборы имеют структуру
металл — окисел — полупроводник и называются МОП-тран-
зисторами.
Принцип действия МОП-транзисторов основан на исполь-
зовании внешнего электрического поля, под действием кото-
рого изменяются значения и тип электропроводности полу-
проводника вблизи границы раздела между слоем диоксида и
полупроводником. Рассмотрим трехслойную структуру ме-
талл—окисел—полупроводник, выполненную на кремнии
p-типа (рис. 28, а).
Если к верхнему электроду (слой металла 7) приложить
отрицательный относительно нижнего электрода (полупровод-
ник 4) потенциал, основные носители, имеющие положитель-
ный заряд, будут смещаться из объема полупроводника в при-
поверхностный слой и вблизи него образуется слой 3 с повы-
шенной концентрацией дырок. Такой режим называют режимом
обогащения поверхности основными носителями.
Если к верхнему электроду (рис. 28, б) приложить поло-
44
Рис. 28. Образование
обогащенного (а) и
обедненного (6) при-
поверхностных слоев в
структуре металл - ди-
электрик — полупро-
водник:
1 — слой металла, 2 —
1 2
/_______________/
слой диоксида крем-
ния, 3, 6 — обогащен-
ный и обедненный слои,
4 - кремний р-типа,
5 — металлизирован-
ный невыпрямляющий
контакт
жительный относительно нижнего потенциал, основные носите-
ли будут перемещаться внутрь полупроводника и вблизи грани-
цы раздела между ним и слоем оксида образуется слой 5 с
пониженной концентрацией дырок. Такой режим называют
режимом обеднения поверхности основными носителями.
При приложении к верхнему электроду большого поло-
жительного потенциала все основные носители — дырки по-
кинут приповерхностный слой полупроводника. Так как в
полупроводнике p-типа всегда присутствуют неосновные носи-
тели заряда — электроны, концентрация которых связана с кон-
центрацией основных носителей—дырок—законом действую-
щих масс пр = п*, при положительном потенциале они будут
смещаться к • поверхности. Это вызывает появление вблизи
поверхности полупроводника p-типа тонкого слоя, имеющего
электропроводность л-типа, называемого каналом. Такой режим
называют режимом инверсии типа электропроводности.
Следовательно, изменяя потенциал металлического электро-
да, можно изменять значение и тип электропроводности полу-
проводникового материала вблизи его границы раздела со
слоем диоксида. Таким образом, под действием потенциала
металлического электрода изменяется ширина какала МОП-
транзистора, который можно рассматривать как резистор, со-
противление которого изменяется в зависимости от приложен-
ного внешнего напряжения.
45
По типу электропроводности канала МОП-транзисторы
подразделяются на п-канальные (с каналом л-типа) и р-ка-
налъные (с каналом p-типа). Для создания структуры МОП-
транзисторов область канала ограничивают двумя высоколе-
гированными областями — истоком и стоком, получаемыми
локальным введением в исходную полупроводниковую пласти-
ну примесных атомов.
По структуре и виду вольт-амперных характеристик МОП-
транзисторы могут быть:
с индуцированным каналом (рис. 29, а) , который наводит-
ся (индуцируется) под действием управляющего потенциала,
прикладываемого к металлическому электроду затвора;
с встроенным каналом (рис. 29, б), который обычно соз-
дается между истоком и стоком локальной диффузией.
МОП-транзисторы — это четырехполюсные приборы, кото-
рые кроме истока, стока и затвора имеют четвертый электрод,
присоединяемый к пластине. В дискретных МОП-транзисторах
этот электрод соединяют с истоком, а в интегральных микро-
схемах заземляют.
Рис. 29. Структуры МОП-транзисторов с индуци-
рованным (<г) и встроенным (б) каналами п-типа
46
Как и в униполярных транзисторах с управляющими р-п-пе-
реходами, в МОП-транзисторах области истока и стока можно
менять местами, при этом характеристики приборов не изме-
няются.
§ 16. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
В МОП-транзисторе с индуцированным каналом л-типа
при потенциале затвора U3 = 0 канал отсутствует и, следователь-
но, при приложении разности потенциалов Uc между истоком
и стоком ток стока 1С будет близок к нулю, так как цепь ис-
ток — сток содержит два встречно включенных диода. При
любой полярности напряжения между истоком и стоком один
из этих диодов всегда включен в обратном направлении и ток
стока 1С равен обратному току, обычно близкому к нулю.
При увеличении положительного потенциала на затворе
канал не может образоваться до момента инверсии типа электро-
проводности. Однако если разность потенциалов между затво-
ром и подложкой превысит определенное значение ?7пор, наступа-
ет инверсия типа электропроводности, т. е. возникает проводя-
щий канал (7С =# 0). Напряжение t/nop называют напряжением
отсечки или пороговым напряжением. За напряжение С/Пор
принимаются такие значения потенциала затвора U3 относитель-
но подложки, при которых ток стока 1С = 10 мкА. Пороговое
напряжение — один из важнейших параметров МОП-тран-
зисторов.
Пороговое напряжение С/Пор МОП-транзисторов с инду-
цированным каналом л-типа всегда положительное, а с индуци-
рованным каналом р-типа — отрицательное. Увеличение напря-
жения на затворе при U3 > С7'Пор вызывает увеличение ширины
канала за счет обогащения приповерхностного слоя электрона-
ми, что приводит к росту тока стока 1С. Такой режим работы
МОП-транзистора с индуцированным каналом называют режи-
мом обогащения. МОП-транзистор с индуцированным каналом
может работать только в этом режиме.
Сгско-затворные характеристики, показывающие зависимость
тока стока от напряжения на затворе МОП-транзисторов с встро-
енным (кривая 7) и индуцированным (кривая 2) каналами
л-типа, приведены на рис, 30.
В отличие от МОП-транзисторов с индуцированным каналом
в МОП-транзисторах со встроенным каналом При U3 = 0 канал
имеется. Поэтому при любом напряжении Uc > 0 ток стока
будет больше нуля (кривая 2). При увеличении положитель-
ного напряжения на затворе МОП-транзистора область встроен-
ного канала л-типа будет расширяться за счет обогащения элек-
47
Рис. 30. Вольт-амперные стоко-
затворные характеристики МОП-
транзисторов с встроенным и
индуцированным каналом и-типа
тронами, и ток стока увеличит-
ся. Такой режим работы МОП-
транзистора с встроенным кана-
лом называют режимом обо-
гащения. При увеличении отри-
цательного напряжения область
канала будет сужаться и ток
стока уменьшится. Такой ре-
жим работы называют режи-
мом обеднения. Следователь-
но, МОП-транзисторы со встро-
енным каналом могут работать
как в режиме обогащения, так
и обеднения.
При дальнейшем увеличе-
нии отрицательного напряжения на затворе ширина канала
становится равной нулю и при некотором напряжении U3 =
= t/jjop прохождения тока прекращается. Пороговые напряже-
ния t/nop МОП-транзисторов с встроенными каналами п- и р-ти-
пов соответственно отрицательные и положительные.
Планарные МОП-транзисторы имеют t/nop от 1 до 2 В.
Вольт-амперные стоковые характеристики МОП-транзисто-
ров с индуцированным и-типа и встроенным p-типа каналами
показаны на рис. 31, а, б. Из анализа приведенных на этом ри-
сунке кривых следует, что при заданном напряжении на затворе
по мере роста Uc от нулевого значения ток стока увеличивается
сначала линейно (крутая часть характеристики), а затем умень-
шается и при некотором значении Uc ток стока становится не-
изменным (пологая часть характеристики).
Для оценки быстродействия МОП-транзистора можно вос-
пользоваться структурой, показанной на рис. 32, из которой
видно, что затвор имеет относительно подложки емкость
C^e^WL/d,
где ед и d — относительная диэлектрическая проницаемость
и толщина слоя диэлектрика; L и W — длина и ширина
канала.
Предельная рабочая частота МОП-транзистора
4ах = 1/(2ягкСзп),
где гк — сопротивление канала открытого МОП-транзистора.
Как следует из этой формулы, наибольшая частота /тах
может быть получена для йаименьших сопротивлений канала
гк и емкости Сзп. Это может быть обеспечено минимально
возможной длиной L канала, а также увеличением его провода-
48
Рис. 31. Вольт-амперные стоко-
вые характеристики МОП-тран-
зиетора е индуцированным п-
типа (а) и встроенным р-типа
(б) каналами
Рис. 32. Структура МОП-тран-
зистора
мости (выбором материала канала с высокой подвижностью
носителей). Таким образом, МОП-транзисторы должны иметь
короткий канал и высокую подвижность носителей. Поэто-
му н-канальные МОП-транзисторы обладают более высоким
быстродействием, чем р-канальные.
§ 17. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ
В различных устройствах используют три схемы включения МОП-
транзисторов: с общими истоком ОИ, стоком ОС и затвором ОЗ.
Схема с общим истоком (рис. 33, а) позволя-
ет получить усиление по напряжению и обладает высокими
входным и выходным сопротивлениями.
Схема с общим стоком (рис. 33, б) анало-
гична схеме катодного повторителя и применяется для согла-
сования источников сигнала с высоким выходным сопротив-
лением и каскадов с низким входным сопротивлением.
Схема с общим затвором (рис. 33, в) наряду
с двумя первыми находит применение в различных типах
устройств.
Характерной особенностью МОП-транзисторов является вли-
яние потенциала полупроводниковой подложки на вольт-ам-
перные характеристики. Пластину МОП-транзистора можно
рассматривать как второй затвор, эффективность которого
зависит как от потенциала, так и удельного сопротивления
49
t-
Рис. 33. Включение МОП-транзистора с индуцированным
каналом ц-типа по схемам с общим истоком (а), общим
стоком (б) и общим затвором (в)
пластины. При достаточно низком удельном сопротивлении
материала изменения вольт-амперных характеристик весьма
существенны.
При приложении к подложке «-канального МОП-транзис-
тора отрицательного напряжения сопротивление канала возрас-
тает и ток, проходящий через канал, уменьшается. Аналогич-
ный эффект проявляется при приложении к подложке р-каналь-
ного МОП-транзистора положительного напряжения. Это объяс-
няется тем, что область объемного заряда, находящаяся непо-
средственно под каналом, при увеличении обратных напряжений
расширяется, начинает распространяться в канал и уменьшает
его поперечное сечение.
Особенно широко МОП-транзисторы применяют в импуль-
сных устройствах. Если быстродействие таких устройств не
обязательно, МОП-транзисторы более удобны, чем другие полу-
проводниковые приборы, так как позволяют проще выполнять
очень миниатюрные цифровые блоки, мощность рассеивания
которых мала.
Кроме того, МОП-транзисторы могут работать в режиме,
позволяющем использовать их в качестве МОП-резисторов,
сопротивления которых достигают 200 кОм и более. МОП-
резисторы занимают меньшую площадь, чем обычные резис-
торы, что уменьшает геометрические размеры интегральных
схем.
Рассмотрим в качестве примера схему инвертора на МОП-
транзисторах с индуцированным каналом p-типа (рис. 34),
нагрузочным резистором, включенным в стоковую цепь, кото-
50
Рис. 34. Инвертор на
МОП-транзисторах с ин-
дуцированным каналом
р-типа
Рис. 35. Трехвходовая логическая схема
НЕ-ИЛИ
рым служит МОП-резистор, называемый также нагрузочным
транзистором. Если сопротивление нагрузочного МОП-тран-
зистора VT2 во много раз превышает сопротивление управляю-
щего МОП-транзистора VT1, падением напряжения на нем можно
пренебречь и, следовательно, С7ВЬ1Х « 0. Когда управляющий
транзистор VT1 закрыт, напряжение на выходе инвертора воз-
растает до значения, равного разности между напряжением
на затворе и пороговым напряжением нагрузочного МОП-тран-
зистора VT2.
Обратным напряжением £/см, прикладываемым к затвору
нагрузочного МОП-транзистора VT2, определяется сопротив-
ление его канала. При UCM = UK п напряжение на выходе ин-
вертора ивых = (/и п - ^пор> т- е- напряжение на выходе закры-
того инвертора меньше напряжения источника питания. Это
объясняется тем, что для обеспечения начальной проводимости
канала нагрузочного МОП-транзистора на нем необходимо
создать падение напряжения, примерно равное пороговому.
Поэтому для получения ?7ВЫХ - ^и_п ПРИ закрытом управляю-
щем МОП-транзисторе необходимо подавать на затвор нагру-
зочного МОП-транзистора обратное напряжение
U >U +U
см и.п пор
Затвор нагрузочного МОП-транзистора VT2 часто соеди-
няют непосредственно со стоком и источником питания, что
позволяет использовать один источник питания.
Используя рассмотренную схему инвертора, создают раз-
51
личные логические схемы, а из них — сложные устройства.
На рис. 35 показаны трехвходовая логическая схема НЕ-ИЛИ,
полученная параллельным соединением МОП-транзисторов
VT1 — VT3 и подключенная к источнику питания через МОП-
транзистор VT4. В отличие от аналогичных устройств на бипо-
лярных транзисторах логические схемы на МОП-транзисторах
с индуцированным каналом имеют более высокий порог сра-
батывания, определяемый пороговым напряжением, что обус-
ловливает их высокие термостабильность и помехоустой-
чивость.
Последовательным включением МОП-транзисторов VT1 —
VT3 можно получить трехвходовую логическую схему, вы-
полняющую функцию НЕ-И (рис. 36), а перекрестным соеди-
нением двух инверторов на МОП-транзисторах — элементарный
триггер (рис. 37), т. е. устройство, обладающее двумя устой-
чивыми состояниями.
Кроме того, МОП-транзисторы широко применяют для
создания аналоговых устройств, предназначенных для усиле-
ния, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по
законам непрерывных функций.
Преимущества МОП-транзисторов по сравнению с бипо-
лярными — низкий уровень шумов, высокое входное сопро-
тивление, лучшая защищенность от перегрузок по току, малая
Рис. 36. Трехвходовая логическая
схема НЕ-И
Рис. 37. Триггер на МОП-транзисторах
52
потребляемая мощность. Относительная простота изготовления
и малые геометрические размеры МОП-транзисторов позволя-
ют создавать относительно дешевые интегральные микросхемы.
Униполярные транзисторы широко применяют во входных
устройствах усилителей, работающих от высокоомного источ-
ника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппара-
туре и импульсных схемах, а также в полупроводниковых запо-
минающих устройствах. Переключающие схемы на МОП-тран-
зисторах проще и позволяют создавать устройства с малым
потреблением мощности, функционирующие при очень низких
рабочих токах, а также схемы с непосредственными связями,
обладающие высокой нагрузочной способностью. Однако приме-
нение МОП-транзисторов в усилительных схемах Ограничива-
ется нестабильностью их характеристик, обусловленной переме-
щением зарядов в слое диоксида под действием электрического
поля.
§ 18. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
Конструктивно-технологические особенности транзисторов
рассмотрим на примере МОП-транзисторов как наиболее широ-
ко используемых униполярных приборов.
Большинство типов МОП-транзисторов разработано для
повышения предельных рабочих частот, т. е. они являются
ВЧ и СВЧ полупроводниковыми элементами. Быстродействие
МОП-транзисторов обычно ограничивается паразитными ем-
костями. Так как металлическая разводка, применяемая в ин-
тегральных микросхемах, гораздо компактнее проволочного
монтажа, узлов и блоков, выполненных на дискретных элемен-
тах, паразитные емкости интегральных МОП-транзисторов
меньше, чем дискретных, а быстродействие в несколько раз
выше.
На рис. 38 показана структура МОП-транзистора с двумя
областями перекрытия затвора, которые вызывают появление
паразитных емкостей затвор — исток Сзи и затвор — сток
С
V3C'
Наиболее простым способом уменьшения емкостей Сзи
Рис. 38. Интегральный
МОП-транзисгор с
перекрытием канала:
1 — область перекры-
тия затвор-исток,
2 — область перекры-
тия затвор—сток
53
Рис. 39. Совмещенная конструкция Рис. 40. МОП-транзистор с по-
МОП-транзистора ликремниевым затвором:
1 - слой алюминия, 2 - слой
поликрисгаллического крем-
ния, 3 — слой диоксида крем-
ния
и Сзе, что существенно повышает быстродействие МОП-тран-
зисторов, является уменьшение или полное устранение областей
перекрытия в так называемой самосовмещенной конструкции
МОП-транзистора (рис. 39) . Принцип создания такой конструк-
ции состоит в том, что вначале наносят металлизацию затвора,
которую затем используют в качестве маски для формирования
областей истока и стока. При этом края затвора и областей ис-
тока и сток совпадают, а перекрытие отсутствует.
Для уменьшения порогового напряжения С/Пор и тем самым
увеличения быстродействия затвор выполняют не металличес-
ким, а из поликристаллического кремния (рис. 40). Легирован-
ный поликристаллический кремний может использоваться в
качестве одного из уровней разводки.
Наиболее перспективной разновидностью МОП-транзисторов
являются ДМОП-транзисторы (рис. 41), получаемые двойной
диффузией примесных атомов. Донорной примесью создают
область п+-типа, используемую в качестве истока. Такой МОП-
транзистор имеет малую длину канала. ДМОП-транзисторы
являются высокочастотными приборами, нормально работаю-
щими на частотах порядка 109 Гц.
Рис. 41. ДМОП-транзистор
Рис. 42. УМОП-транзистор
54
Разновидностью МОП-транзисторов являются также УМОП-
> транзисторы (рис. 42), при формировании структуры которых
В исходной пластине предварительно анизотропным химическим
давлением создают V-образное углубление и выращивают
на его поверхности тонкий слой подзатворного диоксида; за-
1бм наносят металлизацию. В такой транзисторе пластина п-типа
выполняет функции истока, а толщиной слоя p-типа определяет-
ся эффективная длина канала. Современные кремниевые УМОП-
транзисторы работают на частоте до 4-109 Гц.
Для дальнейщего расширения частотного диапазона унипо-
лярных транзисторов используют п-канальные структуры на
основе арсенида галлия, так как он характеризуется очень
высокой подвижностью электронов. При одинаковых геомет-
рических размерах униполярные транзисторы из арсенида
галлия обладают примерно в 6 раз более высоким быстродей-
ствием, чем из кремния.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие полупроводниковые приборы называют униполярными
И какой принцип их действия?
2. Что такое МОП-транзисторы?
3. В результате чего возникает проводящий канал между истоком
и стоком МОП-транзистора?
4. Какое различие существует между п- и р-канальными МОП-тран-
зисгорами?
5. На какие типы подразделяют МОП-транзисторы по способу
образования проводящего канала между истоком и стоком?
6. При каких полярностях напряжения, приложенного к затворам
л-и р-каналыгого МОП-транзистора, возникает проводящий канал?
7. Как определяют пороговое напряжение?
8. Какие режимы работы МОП-транзисторов называются режимами
обогащения и обеднения?
9. Каковы отличия трех схем включения МОП-транзисторов?
ГЛАВА ПЯТАЯ
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
§ 19. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Оптоэлектронные приборы основаны на использовании явлений
излучения, передачи и поглощения световой энергии в различных облас-
тях спектра и применяются в быстродействующих устройствах, пред-
назначенных для передачи и преобразования информации. В элемеи-
55
•
тнук> базу оптоэлектроники входят источики светового излучения (све-
тоизлучательные диоды), фотоприемники (фотоприемные диоды, тран-
зисторы, резисторы) и оптопары (оптроны).
Принцип действия источников свето-
вого излучения основан на излучительной рекомби-
нации пар подвижных носителей. Известны два механизма ре-
комбинации подвижных разноименно заряженных пар элек-
трон — дырка. Первый состоит в непосредственном захвате
электрона из зоны проводимости в валентную зону, в резуль-
тате чего восстанавливается валентная связь. Такую реком-
бинацию называют межзонной. При втором захват электронно-
дырочной пары и последующая их рекомбинация происходят
на промежуточных энергетических уровнях, называемых ловуш-
ками, располагающихся внутри запрещенной зоны полупровод-
ника. Такую рекомбинацию называют рекомбинацией с по-
мощью ловушек.
Рекомбинация носителей сопровождается перераспределе-
нием энергии внутри полупроводника. Излучательная реком-
бинация характеризуется изменением высвобождающейся энер-
гии электронно-дырочной пары в виде светового кванта. Кроме
излучательной рекомбинации существует безызлучательная
рекомбинация, которая характеризуется изменением высвобож-
дающейся энергии в виде теплоты. В обоих случаях реком-
бинация происходит при сохранении энергии и импульсов вза-
имодействующих частиц. При безызлучательной рекомбинации
изменения энергии и импульса передаются кристаллической
решетке полупроводника или одному из подвижных носителей
зарядов. Расчет энергетического баланса показывает, что излу-
чательная рекомбинация может происходить только при сохра-
нении импульсов носителей до и после нее. При этом энергия
выделяется в виде квантов света. Излучательная рекомбинация
характерна для некоторых сложных полупроводниковых ма-
териалов (арсенид галлия GaAs и индия InAs, антимонид ин-
дая InSb и др.) .
При малых неравновесных концентрациях рекомбинация
с помощью ловушек преобладает над межзонной до тех пор,
пока ловушки не заполнены. При этом выделение энергии
зависит не только от энергетического положения и концентрации
ловушек, но и ширины запрещенной зоны полупроводника.
Чем шире запрещенная зона, тем больше выделяемая энергия.
Световое излучение наиболее интенсивно в полупровод-
никах с малой шириной запрещенной зоны, однако они не поз-
воляют получать кванты большой энергии и, кроме того, свето-
излучающие приборы на основе таких полупроводников имеют
56
• низкую температурную стабильность. Наилучшими эксплуа-
> тационными и оптико-электрическими свойствами обладают
I светоизлучающие элементы на полупроводниках с шириной
запрещенной зоны ДЕ" ~ 1,5 эВ. Так как это условие в наиболь-
шей степени характерно для арсенида галлия, далее будем
рассматривать только приборы на основе этого соединения.
i В качестве примесных атомов в арсениде галлия часто
используют кремний или германий, так как эти элементы про-
J. являют в нем как донорные, так и акцепторные свойства. Если
концентрация атомов мышьяка в арсениде галлия избыточна,
! атомы кремния (германия) замещают в его решетке атомы
галлия, в результате чего создаются донорные уровни. При
избытке атомов галлия атомы кремния (германия) замещают
в решетке арсенида галлия атомы мышьяка, что приводит
к образованию акцепторных уровней.
- Принцип действия фотоприемников
основан на генерации электронно-дырочных пар, которая про-
исходит в результате воздействия квантов света, поступающих
от источников светового излучения.
§ 20. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ
Светоизлучающие диоды, или светодиоды, представляют собой
полупроводниковые приборы с одним р-п-переходом, в котором элек-
трическая энергия непосредственно преобразуется в энергию светового
излучения в результате рекомбинации электроиио-дырочных пар.
В рабочем состоянии р-п-переход свет излучающих диодов
всегда включен в прямом направлении, вследствие чего
носители заряда (электроны или дырки), инжектируемые в
высокоомную базовую область, рекомбинируют в ней с основ-
ными носителями. Высвобождаемая в процессе рекомбинации
энергия выделяется в виде квантов света.
Зависимость тока, проходящего через р-н-переход свето-
диода, почти такая же, как у обычного диода (см. § 5). От-
личие состоит в том, что в уравнении, выражающем эту зави-
симость, в знаменателе показателя степени экспоненты появ-
ляется безразмерный коэффициент т/.
К г г 4>г)
1 =1 е ' л.
ед в
Значение коэффициента тг определяется механизмом
рекомбинации, конструктивно-технологическими особенностя-
ми прибора, а также другими факторами и для большинства
светодиодов изменяется or 1 до 2.
Важнейшим параметром светодиодов является длина вол-
ны X излучаемого света, зависящая от энергии фотона, которая
57'
1
при излучательной рекомбинации близка к ширине ЛЕ запре-
щенной зоны полупроводника. Следовательно, длина волны
светового излучения X = h/ЛЕ (где h — постоянная Планка).
Длина волны светодиодов из арсенида галлия равна 0,9 —
1,4 мкм, что соответствует инфракрасной области спектра.
Светодиоды из фосфида галлия имеют красное излучение
с длиной волны X = 0,7 мкм, а из карбида кремния — желто-
зеленое с длиной волны X = 0,55 мкм. В последнее время в
качестве источников инфракрасного и красного излучения ши-
роко применяют светодиоды, изготовленные на основе тройного
полупроводникового соединения GaAlAs.
Важным параметром светодиодов является внешний кван-
товый выход, который определяется как отношение числа из-
лученных фотонов к числу рекомбинирующих электронов в
единице объема полупроводникового материала. Большинство
светодиодов имеют внешний квантовый выход 10~3 — 10-2,
а светодиоды на арсениде галлия с акцепторной добавкой ато-
мов кремния — до 0,04.
Квантовый выход существенно зависит от рабочего тока.
Уменьшение квантового выхода объясняется возрастанием
влияния безызлучательной рекомбинации, так как при этом
концентрация неравновесных носителей становится соизмери-
мой с концентрацией ловушек. Если основной излучательный
механизм обусловлен рекомбинацией вследствие перехода
электронов из зоны проводимости на акцепторный уровень,
то для повышения квантового выхода следует увеличивать
концентрацию акцепторных атомов.
К энергетическим параметрам светодиодов относят ко-
эффициент полезного действия
^ЛД^сд) •
где Ри, U и 7 — мощность излучения, падение напряжения и
ток светодиода.
Мощность излучения светодиодов проявляет достаточно
сильную зависимость от воздействия радиации, что объясняется
образованием различного рода повреждений, характер которых
зависит от природы и энергии бомбардирующих частиц, а также
от свойств полупроводникового материала. Образование де-
фектов в полупроводнике снижает вероятность излучательной
рекомбинации, что, в свою очередь, уменьшает мощность из-
лучения. Так как уровни дефектов оказывают наибольшее влия-
ние на интенсивность излучения при малых токах, для повыше-
ния стойкости к радиационным воздействиям следует выбирать
более высокие рабочие токи.
Светодиоды — быстродействующие приборы, переключение
58
которых при работе в номинальном режиме происходит в те-
чение 10-7 — 10~9 с. Ограничивается быстродействие этих прибо-
ров временем спада интенсивности светового излучения после
выключения тока. Кроме того, при малых рабочих токах инер-
ционность светодиодов определяется постоянной времени
перезаряда емкости р-и-перехода.
Светодиоды видимого излучения используют в качестве
одного из основных элементов оптопар, а также высоконадеж-
ных и малогабаритных световых индикаторов с малыми рабо-
чими напряжениями питания.
§ 21. ФОТОПРИЕМНЫЕ ДИОДЫ.
Фотопрнемные диоды, или фотодиоды, представляют собой полу-
проводниковые фотогальванические приемники светового излучения без
внутреннего усиления, фоточувствнтельный элемент которых выпол-
нен на р-и-переходе.
В рабочем состоянии р-и-переход фотодиодов включен
в электрическую цепь в обратном направлении, вследствие чего
электронно-дырочные пары, генерируемые под воздействием
энергии квантов света и захватываемые сильным электричес-
ким полем области объемного заряда р-и-перехода, создают
электрический ток во внешней цепи. Фотодиоды вместе со
светоизлучающими диодами являются составной частью оп-
топар.
Рис. 43. Структура (а) и вольт-амперная характеристика (6) фото-
диода
59
Кроме фотодиодов в качестве фотоприемных приборов
оптронов могут использоваться фоторезисторы, фототранзис-
торы и фототиристоры. Однако наибольшее распространение
в современных оптронах получили фотодиоды.
Структура и вольт-амперная характеристика фотодиода
показаны на рис. 43, а, б. При отсутствии освещения в цепи
фотодиода проходит темновой ток 10, представляющий собой
обратный ток р-л-перехода. Под воздействием светового об-
лучения кроме темнового начинает также проходить ток, обус-
ловленный генерацией электронно-дырочных пар, называемый
фототоком 1ф и совпадающий по направлению собратным током.
При включении фотодиода в прямом направлении генерируемые
под действием светового излучения электроны и дырки пере-
мещаются в том же направлении, что и электроны и дырки,
инжектируемые р-л-переходом. Поэтому направление фото-
тока совпадает с направлением прямого тока и противополож-
но направлению темнового тока. Вольт-амперная характеристи-
ка фотодиода описывается следующим уравнением:
Для увеличения фототока /ф повышают концентрацию
подвижных носителей вблизи области объемного заряда р-л-
перехода, увеличивая интенсивность светового излучения.
§ 22. ОПТОПАРЫ
Оптоэлектронные преобразователи электрических сигналов, или
оптопары, представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие
из излучающего (светодиод) и фотоприемного (фотодиод, фототран-
зистор) элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспе-
чивающая электрическую изоляцию между входом и выходом.
Важнейшим параметром оптопар является коэффициент
передачи тока Кп ~ ^ф//сд- Обычно АГП< 1, что обусловлено
низким квантовым выходом светодиода и отсутствием усиле-
ния на фотодиоде. Поэтому для уменьшения ослабления сиг-
нала, передаваемого оптроном, необходимы светодиоды с
максимальным квантовым выходом. В современных оптронах
обычно используются светодиоды из арсенида галлия и фото-
приемники на кремниевых диодах.
Фототок фотодиода непосредственно зависит от концентра-
ции генерируемых электронно-дырочных пар, поэтому он прямо
пропорционален мощности излучения светодиода Рп. Так как
основной недостаток оптопар состоит в малом коэффициенте
передачи тока, на их выходе в некоторых случаях включают
усилитель.
60
Для увеличения коэффициента передачи тока Кп в качестве
фотоприемника оптопары можно использовать биполярные
фототранзисторы, которые представляют собой комбинацию
фотодиода и усилителя. Характеристики фототранзистора
аналогичны характеристикам фотодиода, но выходной ток значи-
тельно превышает фототок фотодиода. Кроме того, в качестве
фотоприемников используют также МОП-транзисторы, так как
при воздействии на них светового облучения определенной дли-
ны волны происходит генерация электронно-дырочных пар
в области объемного заряда р-и-перехода, отделяющего канал
от исходной подложки. В МОП-структуре транзистора может
происходить также генерация электронов на границе раздела
между полупроводником и оксидом. Генерируемые под дей-
ствием светового излучения носители захватываются электри-
ческим полем канала, что увеличивает ток стока.
При работе оптрона его светодиод всегда включен в прямом
направлении. Поэтому режим работы оптрона зависит от режи-
ма работы фотоприемника.
Рассмотрим более подробно оптронную систему светодиод —
фотодиод, выходной характеристикой которой является вольт-
амперная характеристика фотодиода (рис. 43, б). Область,
лежащая в третьем квадранте, соответствует так называемому
фотодиодному режиму работы оптопары, а при возникновении
лавинного пробоя при напряжении £7проб — режиму лавинного
умножения. Область, лежащая в четвертом квадранте, соот-
ветствует фотогальваническому (вентильному) режиму, а об-
ласть, лежащая в первом квадранте, — фотодиффузионному.
Фотодиодный режим работы оптопа-
р ы, как уже отмечалось, характеризуется коэффициентом пе-
редачи тока КП. Один из методов увеличения этого коэффи-
циента—использование лавинного механизма размножения фото-
носителей в р-и-переходе. Увеличение концентрации носителей
является следствием ударной ионизации в области объемного
заряда р-и-перехода при обратных напряжениях, близких к
напряжению ?7проб лавинного пробоя. Использование режима
лавинного пробоя позволяет во много раз усилить сигнал,
проходящий через оптронную систему, при сохранении высокого
быстродействия. Недостатки такого метода увеличения Ка —
появление больших шумов и высокие требования к точности
Поддержания рабочего напряжения.
Фотодиффузионный режим работы оп-
топары характеризуется тем, что как ее светодиод, так и
фотодиод включены в прямом направлении. На выходной
характеристике оптопары, работающей в фотодиффузионном
61
режиме, удается получить участок отрицательного сопротивле-
ния, что позволяет использовать ее в качестве генератора коле-
баний.
Фотогальванический (вентильный) ре-
жим работы фотодиода и оптрона на основе этого фото-
диода также представляет интерес для микроэлектроники.
Важнейшим преимуществом фотодиодов, работающих в фото-
гальваническом режиме, является отсутствие источников пи-
тания. Этот режим соответствует режиму холостого хода, при
котором сопротивление нагрузки стремится к бесконеч-
ности. При освещении р-н-перехода фотодиода, работающего
в режиме холостого хода, электроны и дырки, генерируемые
под действием светового излучения и разделенные потенциаль-
ным барьером р-и-перехода, не могут перемещаться во внешнюю
цепь. В результате по обе стороны границы р-л-перехода накап-
ливаются заряды противоположных знаков, что вызывает
появление на выводах фотодиода вентильного напряжения,
или напряжения холостого хода Uxx, максимальное значение
которого определяется шириной запрещенной зоны полупро-
водника и обычно составляет 0,3 — 0,6 В. Если к освещенному
фотодиоду подключить нагрузочный резистор (Лн < °°), то
в цепи будет проходить ток /н при отсутствии внешнего источ-
ника питания. Следовательно, в этом случае фотодиод непо-
средственно преобразует энергию электромагнитного излучения
в электрическую энергию. Такой режим широко используется
в солнечных батареях.
Для примера приведем схемы некоторых устройств, выпол-
ненные на оптопарах. Схема оптоэлектронного усилителя с
полной гальванической развязкой входной и выходной цепей,
выполненного на светоизлучающем VD1 и светоприемном
VD2 диодах и усилителе на транзисторе VT, показана на рис. 44.
Рис. 44. Схема оптоэлектрон-
ного усилителя на биполярном
фототранзисторе
62
Рис. 45. Схема фазоинверсного
усилителя на МОП-транзисторе
Схема фазоинверсного усилителя на МОП-транзисторе
УТ с использованием оптоэлектронного преобразования сигнала
показана на рис. 45. Аналогичная схема может быть выполнена
также на микромощном биполярном транзисторе, выходной
ток которого изменяется примерно от 50 до 200 мкА. Для
получения одинаковых коэффициентов усиления тока на обоих
выходах необходимо, чтобы сопротивления резисторов R1
jiR2 были равны.
Оптронная система светодиод — фотодиод, работающая в
фотогальваническом режиме, может быть использована в качест-
ве развязывающего фильтра цепей питания микроэлектронных
устройств, особенно имеющих малую потребляемую мощность.
В этом случае не только снижаются геометрические размеры
и масса фильтров, но и осуществляется идеальная развязка.
Схема усилителя на МОП-транзисторе с оптроном в качестве
развязывающего фильтра в цепи питания показана на рис. 46.
Выбор МОП-транзистора в качестве активного элемента обуслов-
лен его высоким входным сопротивлением, позволяющим со-
гласовывать каскады усилителя. В этом случае вентильное напря-
жение (напряжение холостого хода) на фотодиоде является
напряжением питания цепи стока МОП-транзистора.
Рис. 46. Усилитель на
МОП-транзисторе с оп-
троном в качестве раз-
вязывающего фильтра
в цепи питания
Приведенные схемы не могут отразить многообразия тех-
нических решений, принимаемых в оптоэлектронике, однако
показывают, как можно значительно улучшить параметры
известных устройств и наметить пути разработки принципиаль-
но новых.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каков принцип действия оптоэлектронных приборов?
2. Какой процесс называют излучательной рекомбинацией?
3. Какие полупроводниковые материалы используются для изготов-
ления оптоэлектронных приборов?
4. Какими параметрами полупроводниковых материалов определя-
ется длина волны светодиода?
5. В каких устройствах используют светоизучательные диоды?
63
6. Какой процесс обусловливает появление фототока?
7. Какие энергетические параметры характеризуют работу оп-
топар?
ГЛАВА ШЕСТАЯ
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
§ 23. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Интегральные микросхемы (ИМС) представляют собой микроэлек-
тронные изделия, предназначенные для преобразования и обработки
сигналов и имеющие высокую плотность упаковки электрически соеди-
ненных элементов (или элементов и компонентов).
Плотность упаковки элементов интегральных микросхем
может достигать сотен тысяч и даже нескольких миллионов
на один кристалл.
Определенную часть ИМС, реализующую функцию какого-
либо электрорадиоэлемента (например, транзистора, диода,
резистора, конденсатора, оптоэлектронного прибора), называют
элементом. Элемент является нераздельной частью пластины
ИМС, на которой формируются также другие элементы, пред-
назначенные для выполнения определенных электрических
функций. Таким образом, элемент ИМС не может быть отделен
от нее в качестве самостоятельного изделия и поэтому его
нельзя отдельно испытывать и эксплуатировать.
Определенную часть ИМС, которая реализует функции
какого-либо электрорадиоэлемента, но перед монтажом явля-
лась самостоятельным (комплектующим) изделием, называют
компонентом.
Элементы и компоненты ИМС подразделяют на активные
и пассивные. К активным элементам относят биполярные
и униполярные транзисторы, диоды, тиристоры, оптоэлектрон-
ные приборы, ак пассивным— резисторы, конденсаторы,
катушки индуктивности, трансформаторы.
Радиоэлектронную аппаратуру, выполняемую на ИМС,
называют микроэлектронной. Высокая надежность микроэлек-
тронной аппаратуры объясняется специальной технологией из-
готовления ИМС, применением особо чистых и совершенных
по структуре исходных материалов, процессов, а также прове-
дением технологических процессов в условиях, исключающих
возможность внесения загрязнений. Кроме того, межэлемент-
ные соединения ИМС герметично защищены специальными по-
крытиями. Малые геометрические размеры ИМС позволяют
64
создавать на их основе прочные и компактные узлы и блоки
радиоэлектронной аппаратуры, способные выдерживать боль-
шие механические нагрузки.
Небольшие габариты ИМС и малое потребление ими элек-
трической энергии позволяют осуществлять комплексную
микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры. Так, кро-
ме транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов в ИМС
применяются миниатюрные трансформаторы, переключатели,
разъемы, провода и кабели, катушки индуктивности и другие
эле ктрорадио элементы.
Современный этап развития микроэлектроники характе-
ризуется широким использованием двух основных технологи-
ческих методов создания ИМС. Первый метод основан на по-
слойном нанесении на непроводящую пластину пленок различ-
ных материалов с одновременным формированием в них мик-
роэлементов и соединений. Такие ИМС называют пленочными.
Второй метод состоит в локальном воздействии на микроучаст-
ки полупроводникового кристалла и придании им свойств,
соответствующих выполнению определенных функций микро-
элементов и соединений. Такие ИМС называют полупровод-
никовыми (ПИМС).
Эти методы не являются конкурирующими, а взаимно
дополняют друг друга. Комбинирование их привело к созданию
так называемых гибридных интегральных микросхем (ГИМС),
в которых используются микроминиатюрные дискретные актив-
ные и пассивные компоненты (транзисторы, диоды, катушки
индуктивности, трансформаторы и их сборки) и пленочные
пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки ин-
дуктивности) . Необходимость применения дискретных актив-
ных и пассивных компонентов объясняется отсутствием в
настоящее время эксплуатационно устойчивых пленочных тран-
зисторов и диодов, а также невозможностью создания твердо-
тельных аналогов катушек индуктивности и трансформаторов,
которые обладали бы необходимыми электрическими парамет-
рами. Кроме того, в ГИМС могут входить и более сложные
компоненты, например кристаллы ПИМС. Частным случаем
ГИМС является многокристальная ИМС, представляющая собой
совокупность нескольких бескорпусных ИМС на одной
подложке.
К микроэлектронике относится также функциональная
электроника, при создании устройств которой (отдельных при-
боров, микросхем, узлов и блоков) используются механичес-
кие, тепловые, излучательные, магнитные и физико-химические
эффекты, проявляющиеся в твердых телах и жидких средах.
Устройства функциональной электроники изготовляют на
3-475 65
основе как полупроводников, так и сверхпроводников, сегне-
тоэлектриков, диэлектриков, а также материалов, обладающих
фотопроводящими свойствами, и др.
Развитие микроэлектроники объясняется успехами, дос-
тигнутыми в области полупроводниковой и пленочной техноло-
гии. Разработка планарных полупроводниковых приборов
с электрическими выводами, расположенными в одной плос-
кости, и замена дискретных компонентов диффузионными
и тонкопленочными элементами явились основой так называе-
мого группового метода изготовления, в процессе которого
на единой исходной полупроводниковой пластине одновременно
формируются сотни и тысячи ИМС. Развитие группового метода
не только оказало огромное влияние на промышленный выпуск
изделий микроэлектроники, но и обусловило появление новых
методов в схемотехнике. Обычные проводниковые соединения
между различными элементами и компонентами ИМС были
заменены тонкопленочными металлическими межсоединениями,
которые наносятся напылением на пластину. При изготовлении
ИМС используются не только хорошо изученные и широко
применяемые в электронной и других отраслях промышлен-
ности материалы, но и новые материалы, обладающие не из-
вестными раньше свойствами.
Используемые в настоящее время групповые методы поз-
воляют одновременно изготовлять большое количество ИМС.
Так, на монолитной кремниевой пластине диаметром 100 мм
размещается до 10 000 ИМС, каждая из которых может содер-
жать от 10 до 40 000 элементов. Многие технологические опера-
ции позволяют в едином цикле производить обработку 200 —
250 пластин, что обеспечивает одновременное изготовление
более миллиона ИМС. Изготовляемые методами групповой
технологии ИМС при массовом производстве оказываются зна-
чительно более дешевыми, чем эквивалентные изделия, собран-
ные из дискретных компонентов.
При групповом методе изготовления отдельных транзис-
торов на поверхности полупроводниковой пластины (например,
кремниевой) диаметром 100, 125 и 150 мм одновременно
изготовляют большое количество приборов (рис. 47, а). Затем
пластину разрезают (скрайбируют) по границам раздела между
соседними вертикальными и горизонтальными парами тран-
зисторов и получают кристаллы (чипы) , содержащие по одному
прибору (рис. 47, б), собирают на кристаллодержатели (рис.
47, в) и герметизируют в корпус.
При групповом методе изготовления активных и пассивных
элементов функционального узла — транзисторов Т, диодов
D, резисторов R и др. (рис. 48, а) - после операции скрайбиро-
66
т т т
T\T Hr т т ,
т т\гт\т т т т
т т г г1г|г т т ,
Г г /Ч г1 Г] Г ГТ т г
Т Т Г|Г|Г ттт
т'т'.тёг т г
а) 5)
у
Рис. 47. Групповой метод изготовления транзисторов ;
а, б - полупроводниковые пластины и кристаллы с тран-
зисторными структурами, в - транзистор
вания получают кристаллы ИМС. Показанные на рис. 48, б
ИМС содержат по два транзистора VT и по одному диоду VD
и резистору R. Элементы ИМС соединяют по заданной схеме
7 узкими металлическими полосками, наносимыми на поверх-
ность пластины. Каждую ИМС монтируют на кристаллодержа-
тель 7 (рис. 48, в) с помощью выводов 2, а затем гермети-
зируют, получая готовый функциональный узел в виде кон-
структивно законченного электронного устройства. Таким
способом изготовляют полупроводниковые ИМС.
Функциональную сложность ИМС принято характеризовать
степенью интеграции, или количеством элементов, содержащих-
ся на одном кристалле. Степень интеграции ИМС определяют
по формуле к = 1g N. Показатель к округляют до большего
целого числа (7V — количество элементов и компонентов, со-
5) В)
Рис. 48. Групповой метод изготовления интегральных микросхем:
о - полупроводниковая пластина с активными и пассивными элемен-
тами интегральных микросхем, б — соединения элементов внутри
Микросхемы; в - микросхема в корпусе; 1 — кристаллодержатель,
2 — выводы
ч 3»
67
держащихся в ИМС). Согласно этой формуле ИМС первой сте-
пени интеграции содержит до 10 элементов и компонентов
ИМС второй степени интеграции — от 11 до 100, ИМС третьей
степени интеграции — от 101 до 1000 и т.д.
При /с 1 (т. е. АГ < 10) интегральные схемы называю)
простыми; при 1 < к < 2 - средними (СИС); при2<£<4-
большими (БИС); при £ > 4 (т. е. 7V> 10 000) — сверхболь-
шими (СБИС).
Кроме степени интеграции ИМС характеризуются плот-
ностью упаковки элементов — их количеством (чаще всею
транзисторов) на единицу площади кристалла. Плотность упа-
ковки современных ИМС от 500 до 1000 элементов/мм2 и
более.
Рис. 49 Классификация интегральных микросхем по конструктивно-
68
§ 24. КЛАССИФИКАЦИЯ ИМС
¥;'
Интегральные микросхемы представляют собой наиболее
распространенные изделия микроэлектроники, методы изго-
; товления которых основаны на обобщении как ранее используе-
мых в полупроводниковом производстве и при получении пле-
ночных покрытий групповых технологических приемов, так и
, новых технологических процессов. Этим определяются два
’ главных направления в создании ИМС: полупроводниковое и
пленочное. Интегральные микросхемы обычно классифицируют
- по конструктивно-технологическим признакам, степени инте-
грации, функциональному назначению, быстродействию, потреб-
ляемой мощности, применяемости в аппаратуре, а также прин-
Технологическим признакам
69
ципу действия активных элементов. Наиболее распространена
классификация по конструктивно-технологическим признакам,
поскольку при этом в обозначении ИМС содержится информа-
ция о ее конструкции и технологии изготовления.
Одним из основных критериев оценки технологического
уровня производства и отработанности конструкции ИМС
является степень интеграции.
Важным конструктивным признаком, по которому можно
все ИМС подразделить на два класса, является тип подложки
(с активной или пассивной) . К первому классу относятся ИМС,
элементы которых выполнены внутри подложки, представляю-
щей собой пластину из полупроводникового материала, а ко
второму — ИМС, элементы которых размещены на поверх-
ности подложки, выполненной из диэлектрического материала.
Тип подложки зависит от технологии изготовления ИМС.
Полупроводниковые ИМС выполняют на активных и пассивных
подложках, пленочные и гибридные — на пассивных, а СВЧ и
пьезокерамические — также на пассивных.
Классификация ИМС по конструктивно-технологическим
признакам показана на рис. 49.
Основными и наиболее сложными элементами ИМС любого
типа являются биполярные и униполярные транзисторы. В
гибридных ИМС используют бескорпусные дискретные биполяр-
ные и униполярные (чаще всего на МОП-структурах) транзис-
торы, изготовляемые по планарно-эпитаксиальной технологии.
Кроме того, в гибридных ИМС используют диоды и бескорпус-
ные полупроводниковые ИМС. В полупроводниковых ИМС
применяют биполярные и МОП-транзисторы,в основном изготов-
ляемые по планарной технологии.
Для защиты ИМС от внешних воздействий их герметизи-
руют, заключая в специальных корпусах или опрессовывая в
пластмассу (корпусные ИМС), либо покрывают эпоксидным
или другими лаками (бескорпусные) .
По функциональному назначению различают цифровые,
аналоговые (линейные), аналого-цифровые и цифроаналоговые
ИМС, а по применяемости в аппаратуре — широкого применения
и специальные.
В настоящее время ИМС являются основой элементной
базы практически всех видов радио электронной аппаратуры.
Для построения радиоэлектронной аппаратуры различного на-
значения необходимы не отдельные ИМС, а функционально
полные их серии, т. е. совокупность ИМС, выполняющих раз-
личные функции, имеющих единую конструктивно-технологичес-
кую основу и предназначенных для совместного применения.
Состав серии в основном определяется функциональной
70
Ff полнотой отдельных ИМС, удобством построения из них слож-
". ных устройств, а также типом стандартного корпуса. В зави-
симости от функционального назначения и областей применения
серии могут содержать от трех-четырех до нескольких десят-
ков ИМС различных типов. По мере развития схемотехники и
J тенологии изготовления ИМС состав перспективных серий мо-
жет изменяться и расширяться.
7 В соответствии с принятой ГОСТ 18682—73 системой услов-
ных обозначений все выпускаемые ИМС по конструктивно-тех-
нологическому исполнению подразделяются на три группы:
: полупроводниковые, гибридные и прочие. К прочим относят
, пленочные ИМС, которые в настоящее время выпускаются в
ограниченном количестве, а также вакуумные, керамические
s- и др. Цифрами 1,5 и 7 обозначают полупроводниковые ИМС
(7 — бескорпусные) ; 2, 4, 6, 8 — гибридные, а 3 — прочие.
В зависимости от характера выполняемых в радиоэлектрон-
, ной аппаратуре функций ИМС подразделяются (табл. 7) на
подгруппы (например, генераторы, усилители, триггеры) и
\ виды (например, преобразователи частоты, фазы, напряжения) .
Таблица?. Классификация ИМС по функциональному назначению
Подгруппа Вид га
<у о <и га
Наимено- g ® Наименование 0 5 о 5 Я О S О Я 5
Я 3 5 у 5 ? 2
вание s £ оЗ X * s 3 S 3 g S д 5 а я * £ 2 * о с
>ЦО
U2 О Йо Йон
1 2 3 4 5
Генера- Г Гармонических сигналов С ГС
торы Прямоугольных сигналов (в том
числе автоколебательные мульти-
вибраторы, блокннг-генераторы) г гг
Линейно изменяющихся сигналов л гл
Сигналов специальной формы Ф ГФ
Шума м гм
Прочие п гп
Детек- Д Амплитудные А ДА
торы Импульсные И ДИ
Частотные с дс
Фазовые Ф ДФ
Прочие П дп
71
Продолжение табл. 7
1 2 3 4 5
Коммутато-
ры и ключи К Тока Т КТ
Напряжения Н КН
Прочие п КП
Логические Л Элемент:
элементы И-НЕ А ЛА
ИЛИ-НЕ Е ЛЕ
И И ЛИ
ИЛИ Л ЛЛ
НЕ Н ЛН
И-ИЛИ С ЛС
И-НЕ/ИЛИ-НЕ Б ЛБ
И-ИЛИ-НЕ Р ЛР
И-ИЛИ-НЕ/И-ИЛИ К ЛК
ИЛИ-НЕ/ИЛИ м лм
Расширители д лд
Прочие п лп
Многофун- X Аналоговые А ХА
кционалъ- Цифровые Л ХЛ
ные схемы Комбинированные К ХК
Прочие П хп
Модулято- м Амплитудные А МА
ры Частотные С МС
Фазовые Ф МФ
Импульсные И МИ
Прочие п МП
Наборы н Диодов д нд
элементов Транзисторов т нт
Резисторов р HP
Конденсаторов Е НЕ
Комбинированные К НК
Прочие П нп
Преобразо- п Частоты С ПС
ватели Фазы Ф ПФ
Длительности д пд
Напряжения н пн
Мощности м пм
Уровня (согласователи) У ПУ
¥
Продолжение табл. 7
1 2 3 4 5
Код - аналог А ПА
Аналог - код В ПВ
Код - код Р ПР
Прочие П ПП
Схемы вто- Е Выпрямители В ЕВ
ричных ис- Преобразователи М ЕМ
точников Стабилизаторы напряжения н ЕН
электро- Стабилизаторы тока т ЕТ
питания Прочие п ЕП
Схемы за- Б Пассивные м БМ
дсржки Активные р БР
Прочие п БП
Схемы се- С Амплитудные (уровня сигналов) А СА
лекции и Временные В СВ
сравнения Частотные С СС
Фазовые Ф СФ
Прочие П СП
Триггеры Т Типа JK В ТВ
Типа RS р ТР
Типа D м тм
Типа Т т тт
Динамические д тд
Шмидта л тл
Комбинированные (типов DTJIST и др-) к тк
Прочие п тп
Усилители У Высокой частоты* в УВ
Промежуточной частоты* р УР
Низкой частоты* н УН
Импульсных сигналов* и УИ
Повторители Е УЕ
Считывания и воспроизведения Л УЛ
Индикации м УМ
Постоянного тока* т УТ
* Усилители напряжения или мощности, в том числе малошумящие.
73
Продолжение табл. 7
1 2 3 4 5
Операционные и дифференциальные* д УД
Прочие П УП
Фильтры Ф Верхних частот в ФВ
Нижних частот н ФН
Полосовые Е ФЕ
Режекторные Р ФР
Прочие п ФП
Формиро- А Импульсов прямоугольной формы
ватели (ждущие мультивибраторы, блокинг- гснераторы и др.) г АГ
Импульсов специальной формы Адресных токов (формирователи Ф АФ
напряжений или токов) Разрядных токов (формирователи А АА
напряжений или токов) Р АР
Прочие П АП
Элементы Р Матрицы-нак опите ли:
запоминаю- ОЗУ М РМ
щих уст- ПЗУ В РВ
ройств ОЗУ со схемами управления ПЗУ (масочные) со схемами управ- У РУ
леиия Е РЕ
ПЗУ со схемами управления и од- нократным программированием ПЗУ со схемами управления и мно- Т РТ
гократным программированием Р РР
АЗУ со схемами управления А РА
Прочие П РП
Элементы И Регистры Р ИР
арифмети- Сумматоры м ИМ
ческих и Полусумматоры л ИЛ
дискрет- Счетчики Е ИЕ
ных уст- Шифраторы В ИВ
ройств Дешифраторы д ИД
Комбинированные к ИК
Прочие п ИП
74
Условные обозначения ИМС состоят из четырех элементов
(причем первые два элемента — три-четыре цифры — характери-
зуют полный номер серии) :
первый элемент — цифра, указывающая конструктивно-
технологическую группу;
второй элемент — две-три цифры, указывающие поряд-
ковый номер разработки данной серии ИМС;
третий элемент — две буквы, указывающие подгруппу и
вид ИМС;
четвертый элемент — одна или несколько цифр, указываю-
щие порядковый номер разработки ИМС в данной серии, кото-
рая может содержать несколько одинаковых по функциональ-
ному признаку ИМС.
Пример расшифровки обозначения микросхемы интеграль-
ного полупроводникового операционного усилителя приведен
на рис. 50. В некоторых случаях в конце условного обозначения
дополнительно имеется буква, указывающая технологический
разброс электрических параметров данного типономинала.
Под типономиналом ИМС понимают микросхему, имеющую
конкретное функциональное назначение и условное обозначе-
ние, а под типом ИМС — совокупность типономиналов микро-
схем, также имеющих конкретное функциональное назначение
и условное обозначение. Конкретные значения электрических
параметров и отличия типономиналов ИМС приводятся в тех-
нической документации.
В некоторых сериях буква в конце условного обозначения
ИМС указывает тип корпуса, в котором выпускается ИМС
данного типономинала (П — пластмассовый, М — керамичес-
кий) . В начале условного обозначения микросхем широкого
применения стоит буква К (например, К140УД11). Если после
Серия
1 НО УД 11
Порядковый номер разработки
(по функциональному признаки
в данной серии )
Вид (по функциональному назначению)
Подгруппа
Порядковый номер разработки ИМС данной серии
Группа (по конструктивно-технологическому исполнению)
Рис. 50. Пример расшифровки условного обозначения полу-
проводниковой интегральной микросхемы по ГОСТ 18682-73
75
Серия
1 ЛБ 33
11
— —।— Порядковый номер разработки
I ИМС (по функциональному
| признаку S ванной серии )
Порядковый номер разработки ИМС данной серии
Подгруппа и вид (по функциональному назначению)
Группа (по конструктивно-технологическому исполнению)
Рис. 51. Пример расшифровки обозначения логического элемента
И-НЕ/ИЛИ-НЕ до введения ГОСТ 18682-73
буквы К перед номером серии имеется также буква М, это
означает, что вся данная серия выпускается в керамическом
корпусе (например, КМ155ЛА1) .
Перед обозначением серии бескорпусных ИМС без присоеди-
нения выводов к кристаллу имеется буква Б (например,
КБ524РП1А-4).
Цифра, стоящая после дефиса в обозначении бескорпусных
ИМС (например, 703ЛБ1-2), означает возможные варианты
их конструктивных исполнений: 1 — с гибкими выводами;
2 — с ленточными (паучковыми), в том числе на полиимидной
пленке; 3 — с жесткими; 4 — на общей пластине (неразделен-
ные) ; 5 — разделенные без потери ориентации (например,
наклеенные на пленку); 6 — с контактными площадками без
выводов (кристалл).
Следует отметить, что до введения ГОСТ 18682 — 73 услов-
ные обозначения присваивались в соответствии с нормативно-
технической документацией, действовавшей в то время. После
1973 г. большинство ИМС получили новые условные обозна-
чения. Однако ИМС, на которые не была выпущена новая техни-
ческая документация, сохранили старые условные обозначе-
ния. Пример такого обозначения приведен на рис. 51.
§ 25. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГИБРИДНЫЕ ИМС
Полупроводниковыми являются интегральные микросхемы, все
элементы которых и междуэлемеитиые соединения выполняются в объ-
еме и на поверхности полупроводникового кристалла.
Различают следующие типы полупроводниковых ИМС: би-
полярные, планарно-диффузионные (однокристальные); совме-
щенные; на МОП-транзисторах; многокристальные.
76
5)
Рис. 52. Планарно-диффузионная (а) и совмещенная (б) структуры
полупроводниковых микросхем и их электрическая схема (в) :
1 - верхний электрод конденсатора, 2 - соединения между нижним
электродом конденсатора и базой транзистора, 3 — металлизированный
контакт резистора, 4 — соединение между резистором и коллектором
транзистора, 5 - вывод эмиттера
В биполярных планарно-диффузионных
ИМС активные и пассивные элементы представляют собой
выполненные внутри монокристаллической полупроводниковой
пластины локальные области различных типов электропровод-
ности, изолированные друг от друга, обратно включенные
р-н-переходом (рис. 52, а) или слоем диэлектрика, например
диоксида (нитрида) кремния (рис. 52, б). Цифровые обозна-
чения участков структур, приведенных на рис. 52, а, б, соот-
ветствуют обозначениями контактов на электрической схеме,
показанной на рис. 52,в.
В совмещенных ИМС активные элементы выпол-
няются в виде планарно-диффузионных, а в пассивных —
пленок, наносимых на поверхность полупроводниковой плас-
тины сразу после диффузионных операций. Пленочная техно-
логия, применяемая для создания резисторов и конденсато-
ров, позволяет существенно расширить их номинальные зна-
чения, а также обеспечивает высокую стабильность и точность
воспроизведения.
В интегральных микросхемах наМОП-
транзисторах (рис. 53) основным элементом является МОП-
транзистор с изолированным затвором. Как уже отмечалось,
такие транзисторы используются в ИМС в качестве как актив-
77
Рис. 53. Структура уни-
полярного транзистора
с изолированным зат-
вором:
1 - исток, 2 - канал,
3 - затвор, 4 - сток
ных, так и пассивных элементов (конденсаторов и нагрузочных
резисторов), что обеспечивает максимальную воспроизводи-
мость и высокую технологичность при изготовлении ИМС.
Микросхемы на МОП-транзисторах по сравнению с другими
полупроводниковыми ИМС имеют более высокую степень
интеграции.
В многокристальных ИМС (рис. 54) отдельные
кристаллы на биполярных и МОП-транзисторах монтируют
иа общем основании и соединяют тонкопленочными проводни-
ками. Для защиты от внешних воздействий многокристальные
ИМС герметизируют в корпуса. Технологический процесс изго-
товления многокристальных ИМС состоит из меньшего коли-
чества операций, так как все компоненты выполняют отдельно,
однако их стоимость по сравнению со стоимостью других типов
ИМС более высока. Достоинство многокристальных ИМС —
лучшие рабочие характеристики, чем у однокристальных, так
как уменьшается влияние паразитных взаимодействий.
Рис. 54. Многокристальная интегральная микросхема на кристаллодержа-
теле (а) и ее электрическая схема (б) :
I — 10 - внешние выводы
78
Гибридными являются интегральные микросхемы, пассииные эле-
менты (резисторы, конденсаторы, токопроводящие дорожки и др.)
которых выполнены в виде толстых или тонких пленок на поверхности
изолирующей пластины, а активные компоненты (диоды, транзисторы
и ДР-) _ в виде навесных дискретных бескорпусных компонентов.
Навесными компонентами гибридных ИМС могут быть
также конденсаторы больших емкостей, катушки индуктив-
ности, трансформаторы и др.
Пленочные резисторы изготовляют из хрома, тантала, ни-
хрома или металлокерамических смесей, а конденсаторы —
из оксидов кремния, германия, тантала, алюминия и некото-
рых органических пленок. Для создания токопроводящих
дорожек и контактных площадок используют медь, алюминий,
золото, никель и другие материалы, обладающие низким удель-
ным сопротивлением.
Структура тонкопленочной гибридной ИМС показана на
рис. 55. Конденсатор выполнен в виде тонкопленочной струк-
туры алюминий — диоксид кремния — алюминий, резистор —
в виде тонкой нихромовой пленки, а транзистор является навес-
ным компонентом.
Наиболее распространенные по конструкции толстопленоч-
ные гибридные ИМС (рис. 56) представляют собой керамичес-
кую пластину с пассивными и активными элементами и ком-
понентами, армированную выводами, закрытую с монтажной
стороны металлическим колпачком и залитую с обратной сторо-
ны изолирующим компаундом.
Толстопленочные гибридные ИМС по сравнению с тонко-
пленочными сравнительно несложны в изготовлении и, кроме
того, не требуют высоких затрат на эксплуатацию оборудования
при производстве. Преимуществом их следует считать также
возможность изготовления резисторов больших сопротивлений,
Рис. 55. Структура гибридной ин-
тегральной микросхемы
Рис. 56. Толстопленочная гибрид-
ная интегральная микросхема
79
а недостатком — трудность изготовления конденсаторов боль-
ших емкостей.
Использование тонко- и толстопленочных гибридных ИМС
позволяет создавать различные цифровые и аналоговые устрой-
ства при сравнительно коротком цикле разработки.
§ 26. СПОСОБЫ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС
Как пассивные, так н активные элементы полупроводнико-
вых ИМС имеют электрическую связь с общей полупроводнико-
вой пластиной, а также друг с другом, поэтому их необходимо
изолировать. Электрическую изоляцию элементов выполняют
следующими способами:
обратно включенным р-н-переходом;
диэлектрической пленкой;
формированием островковых структур.
И золяция элементов ИМС обратно
включенным р-н-п ереходом - наиболее распростра-
ненный способ, сущность которого состоит в формировании
в исходной пластине дополнительных р-н-переходов, окружаю-
щих каждый элемент или группу элементов ИМС. Такие допол-
нительные р-н-переходы, называемые изолирующими, полу-
чают либо диффузией, либо эпитаксией и последующей диффу-
зией.
При диффузионном методе получения изолирующих р-н-
переходов на первой операции диффузии в подложке р-типа
(рис. 57) формируют области н-типа электропроводности,
имеющие заданную конфигурацию, а на последующих стадиях
технологического процесса в этих областях создают необходи-
мые элементы ИМС. Так как при таком способе изоляции
между элементами ИМС действуют два встречно включенных
р-н-перехода, при любых электрических потенциалах, прило-
женных к каждой изолированной и-области, один из р-н-пере-
ходов будет включен в обратном направлении. Поскольку
область объемного заряда обратно включенного р-н-перехода
Рис. 57. Изолированные области
(и-типа), создаваемые диффузи-
ей примесных атомов в пласти-
не р-тнпа
80
Р
Рис. 58. Изолированные области
и-типа, создаваемые в эпитакси-
альном слое диффузией акцеп-
торной примеси
Ж лишена подвижных носителей, ее удельное сопротивление близ-
ко к удельному сопротивлению диэлектрика. Взаимно изолиро-
ванные области пластины (в данном случае области и-типа)
называют карманами. При способе изоляции р-и-переходом
напряжение пробоя между двумя соседними карманами дости-
.. .гает 50 — 80 В, а токи утечки через обратно включенные р-п-
*' переходы не превышают нескольких наноампер. В результате
обеспечивается достаточно надежная изоляция элементов, созда-
s ваемых внутри карманов. Барьерные емкости обратно включен-
ных р-и-переходов вызывают паразитные взаимодействия, что
" существенно ограничивает частотный диапазон ИМС.
В современных типах ИМС наиболее часто используют
«Нэпитаксиальный способ изоляции элементов ИМС, при котором
на кремниевой пластине электропроводности p-типа, например
(рис. 58), выращивают монокристаллический слой и-типа элек-
тропроводности, имеющий толщину 5 — 10 мкм. Затем через
этот слой проводят диффузию, получая области р+-типа, кото-
рые частично перекрывают исходную пластину p-типа электро-
. проводности. Так создают области и-типа (карманы), изолиро-
ванные друг от друга р-и-переходами.
Изоляция элементов ИМС диэлектри-
ческой пленкой диоксида или нитрида кремния также
довольно распространенный способ, называемый эпик-процес-
сом. Сущность его состоит в следующем. В исходной пластине
монокристаллического кремния вытравливают канавки глу-
.. биной 10 — 15 мкм, окисляют поверхность и выращивают
толстый слой поликристаллического кремния, который запол-
няет рельеф. Затем с нижней стороны поверхность исходной
пластины сошлифовывают вплоть до дна вытравленных кана-
вок, получая таким образом монокристаллические области,
окруженные поликристаллическим кремнием и изолирован-
ные диэлектриком (рис. 59).
Рис. 59. Создание монокристал-
лических областей кремния, изо-
лированных диэлектриком, в
пластине поликристаллического
кремния:
Рис. 60. Создание остров-
ковой изоляции по тех-
нологии кремний на сап-
фире:
1, 2 — моно- и поликристалли-
ческий кремний, 3 - диэлектрик
4-475
1 - кремний, 2 — сапфир
Этот способ обеспечивает надежную изоляцию элементов
(пробивные напряжения между соседними областями более
1 кВ), позволяет существенно снизить паразитные емкостные
взаимодействия и во много раз — токи утечки. Однако техноло-
гия получения диэлектрически изолированных областей дос-
таточно сложна и дорогостояща, поэтому такой способ изоляции
используют при изготовлении прецизионных аналоговых ИМС.
Островковую изоляцию (рис. 60), выполняе-
мую по КНС-технологии (кремний на сапфире), начали приме-
нять недавно. При этом на сапфировой подложке выращивают
монокристаллическую пленку кремния толщиной несколько
микрометров. Затем химическим травлением удаляют кремний
в некоторых локальных областях. В результате на сапфировой
подложке образуются взаимно изолированные кремниевые
островки. Хорошая изоляция островков и малые паразитные
емкости позволяют существенно повысить плотность упаковки
элементов и повысить быстродействие ИМС на сапфировых
пластинах. Основной недостаток островковой изоляции обус-
ловлен сложным рельефом поверхности, затрудняющим полу-
чение надежной металлической разводки.
§ 27. РЕЗИСТОРЫ ИМС
Резисторы ИМС можно подразделить на диффузионные, пинч-ре-
зисторы, ионно-легированные и пленочные.
Исходными данными для определения геометрических раз-
меров резисторов являются их номинальное сопротивление,
а также допуск на него, поверхностное сопротивление материа-
ла, температурный коэффициент сопротивления, средняя рассеи-
ваемая мощность и точность выполнения технологических
операций.
Номинальное сопротивление резисторов определяют по
формуле
R = pvl/(bd) ,
гДе Pv — Удельное объемное сопротивление материала; I, b
nd - длина, ширина и толщина резистивного элемента.
Сопротивление R резистора пропорционально удельному
объемному сопротивлению pv полупроводникового материа-
ла, которое зависит от уровня его легирования и температуры.
Более высокому уровню легирования соответствует меньшее
значение pv, а следовательно, более низкое сопротивление R,
отнесенное к единице длины I при одинаковых значениях шири-
ны и толщины. Следовательно, можно было бы сделать вывод,
82
К «гго при заданной геометрической конфигурации резистивный
1 элемент наиболее целесообразно формировать на беспримес-
ном или слаболегированном полупроводнике. Однако удель-
ное сопротивление такого полупроводника значительно зависит
от температуры, что полностью исключает возможность его
использования. Поэтому для уменьшения температурной зави-
симости сопротивления резистора необходим высоколегирован-
ный полупроводниковый материал. Увеличение концентрации
подвижных носителей зарядов в таком материале вследствие
проявления собственной электропроводности будет незначитель-
ным по сравнению с концентрацией основных носителей в
широком диапазоне температур. Таким образом, номиналь-
ное сопротивление резистора в основном зависит от материала
с заданным удельным объемным сопротивлением и от его
геометрических размеров. Как видно из приведенной выше
формулы, сопротивление резистора можно повысить, увеличив
его длину или уменьшив площадь поперечного сечения.
Диффузионные резисторы полупроводнико-
вых ИМС наиболее часто формируют на базовых слоях биполяр-
ных транзисторов. Выбор этого слоя представляет собой ком-
промиссное решение между большими геометрическими разме-
рами, которые были бы необходимы при использовании эмит-
терного слоя, и высоким температурным коэффициентом со-
противления резистора, который соответствовал бы использо-
ванию слаболегированного слоя полупроводника (например,
коллектора). Однако следует отметить, что на эмиттерном
слое можно формировать низкоомные термостабильные ре-
зисторы. Структура и конфигурации диффузионных резисто-
ров показаны на рис. 61.
Пинч-резисторы (рис. 62) представляют собой диффузион-
ные резисторы, формируемые на базовых слоях и изолирован-
ные двумя параллельно расположенными обратно включенными
эмиттерным и коллекторным р-и-переходами. По сравнению
с обычными диффузионными резисторами, формируемыми
на базовых слоях, пинч-резисторы имеют меньшую площадь
поперечного сечения и более высокое удельное сопротивление,
так как для их реализации используют слаболегированную
часть базы. Поэтому максимальное сопротивление пинч-резис-
торов может достигать 300 кОм. Недостатками пинч-резисто-
ров являются относительно большой разброс параметров,
нелинейность вольт-амперных характеристик и рабочие напря-
жения, обычно не превышающие 7 — 10 В, так как они опреде-
ляются напряжением пробоя перехода эмиттер—база.
Ионно-легированные резисторы по струк-
туре не отличаются от обычных диффузионных, однако глуби-
4* 83
на залегания изолирующего их р-и-перехода значительно меньще
и, как правило, не превышает 0,2 — 0,3 мм. Кроме того, ионное
легирование обеспечивает получение очень малых концентра-
ций атомов легирующих примесей, что позволяет создавать
резисторы, номинальное сопротивление которых достигает
сотен килоом.
Пленочные резистор ы, получаемые нанесением
резистивного вещества на изолирующую пластину, имеют такую
же структуру и конфигурацию, как и диффузионные. Сопро-
тивление пленочных резисторов зависит от материала и тол-
щины пленки и может достигать 1 МОм. После нанесения плен-
ки резисторы обычно подгоняют под заданный номинал различ-
ными способами: механическим снятием части резистивного
слоя, травлением, низкотемпературным окислением, лазерной
обработкой и др.
Рис. 61. Структура (а) и
конфигурации (б, в, г) диф-
фузионных резисторов: 1,2-
р-н-персходы, 3 — омические
контакты к резистору, 4 -
защитное покрытие (диоксид
кремния), 5 — омический
контакт к н-области, 6 -
Следует отметить, что при построении сложной аппаратуры
... шалых габаритов стремятся использовать ИМС с минимальным
количеством резисторов возможно меньших номиналов.
§ 28. КОНДЕНСАТОРЫ ИМС
Конденсаторы полупроводниковых ИМС обычно выполняют на
основе структур обратно включенных р-л-переходов биполярных тран-
у зисторов (диффузновные конденсаторы) н структур металл - окисел -
№' полупроводник МОП-транзнсторов (МОП-конденсаторы).
Независимо от способа получения конденсаторы характери-
j зуются следующими параметрами:
t номинальной емкостью С;
i- удельной емкостью Со, т. е. емкостью, отнесенной к еди-
I нице площади;
| технологическим разбросом номинальной емкости ± ДС;
рабочим напряжением С/раб;
I' температурным коэффициентом емкости ТКС;
J добротностью <2.
Диффузионные конденсаторы основаны
J на использовании барьерной емкости обратно включенных
р-л-переходов (рис. 63, а, б). Аналогом диэлектрика в таких
; конденсаторах является область объемного заряда обратно
включенного р-л-перехода, ширина которой зависит от распре-
; деления концентраций примесных атомов вблизи его границы
~ и обратного напряжения. Следовательно, барьерная емкость
р-л-перехода определяется не только его площадью, но и ус-
ловиями формирования и обратным напряжением. При исполь-
зовании диффузионных конденсаторов необходимо соблю-
Рис. 64. Структура МДП-конден-
сатора:
1,3- верхний и ннжний электро-
ды, 2 - диэлектрик
Рис. 63. Структуры диффузион-
ных конденсаторов, выполненных
на основе одного (а) и двух
параллельно включенных (б) р-п-
Переходов
85
дать полярность обратного напряжения, т. е. потенциал л-об.
ласти всегда должен быть выше потенциала р-области.
Поскольку емкость диффузионных конденсаторов зависит
от приложенного напряжения, они могут выполнять роль как
постоянных, так и переменных. В качестве постоянных диффу.
знойные конденсаторы работают достаточно хорошо только
при обратном напряжении, намного превышающем по абсолют-
ному значению рабочее напряжение.
МОП-к онденсаторы (рис. 64) , формируемые на
основе слоя диоксида кремния или какого-либо другого диэ-
лектрика, отличаются гораздо лучшими электрическими харак-
теристиками, чем диффузионные, и находят широкое приме-
нение в различных перспективных полупроводниковых и гиб-
ридных ИМС, используемых, в частности, для создания аналого-
вых устройств. Процесс изготовления интегральных МОП-
конденсаторов не требует дополнительных технологических
приемов, так как операция получения слоя диэлектрика легко
совмещается с одной из операций локальной диффузии. Верх-
ним электродом конденсатора служит металлическая (обыч-
но алюминиевая) пленка, а нижним — сильно легированная
область полупроводника (ее удельное сопротивление 10-3 —
10~4 Ом-см), имеющая омический контакт с выводом. Обыч-
но МОП-к онденсаторы изолируют от остальных элементов ИМС
обратно включенными р-л-переходами.
Толщина слоя диэлектрика МОП-кондепсаторов должна
быть не менее 0,1 мкм, а металлических пленок электродов —
от 0,5 до 2 мкм. Удельная емкость МОП-конденсаторов обыч-
но составляет: 400 — 650 пФ/мм2 при толщине диэлектрика
0,08 — 0,1 мкм, пробивное напряжение 80 В, добротность 10 —
100 на частоте 10 МГц, допуск на номинальную емкость ± 20%.
Преимуществами МОП-конденсаторов по сравнению с диф-
фузионными являются их неполярность и нулевой коэффициент
напряжения. Следовательно, к ним может быть приложено
напряжение любой полярности, а номинальная емкость не зави-
сит от приложенного напряжения. Кроме того, поскольку удель-
ное сопротивление кремниевых пластин невелико, до.бротность
таких конденсаторов может достигать 1000 и более. Как в диф-
фузионных, так и в МОП-конденсаторах возникает паразит-
ная емкость, обусловленная влиянием заземленной подложки,
играющей роль дополнительного электрода.
§ 29. ДИОДЫ ИМС
Диоды ИМС чаще всего используют в качестве выпрямвтелен, т. е.
элементов, обладающих однонаправленной проводимостью.
86
При создании диодных структур для полупроводниковых
ЦМС необходимо учитывать параметры, определяющие вольт-
амперную характеристику, быстродействие, емкости р-и-пере-
i хода между ним и пластиной, а также ток утечки. В качестве
диодов обычно используются эмиттерные и коллекторные пере-
ходы биполярных транзисторов.
В полупроводниковых ИМС применяют различные схемы
" включения транзисторов в качестве диодов, т. е. диоды ИМС
' представляют собой определенным образом включенные би-
* полярные транзисторы . Для диодного включения биполярного
транзистора после формирования всех элементов ИМС наносят
соответствующую внутрисхемную металлизацию.
» • Пять вариантов (I — V) построения диодов ИМС на основе
планарно-эпитаксиального транзистора показаны на рис. 65.
, В варианте I использован переход эмиттер — база транзистора
при короткозамкнутом переходе база — коллектор; в вари-
* анте II — переход змиттер — база при разомкнутой коллектор-
ной цепи; в варианте III — переход база — коллектор при отсут-
ствии эмиттерной области (при формировании диода операция
; получения эмиттера исключается); в варианте IV коллектор и
у эмиттер коротко замкнуты, следовательно, образованы два
параллельно включенных диода, один из которых представляет
собой переход эмиттер — база, а другой — переход база — кол-
• лектор; в варианте V использован переход база — коллектор
при короткозамкнутом переходе эмиттер — база.
Характерное отличие диодов ИМС от дискретных — наличие
паразитных емкостей, создаваемых изолирующими р-и-пере-
ходами, и паразитного транзистора, областями которого явля-
ются база и коллектор структуры интегрального транзистора,
на которой выполняются диод и подложка. Так как паразит-
ный транзистор работает в режиме усиления, часть тока, прохо-
дящего через диод, ответвляется в пластину, т. е. ток на его
входе не равен току на выходе. Значение ответвляющегося
тока зависит от коэффициента передачи тока паразитного тран-
зистора, включенного по схеме ОЭ. Вследствие того, что коэф-
Рис. 65. Варианты построения интегральных диодов иа основе структуры
Планарио-эпитаксиального транзистора
87
фициент инжекции эмиттера паразитного транзистора обычно
достаточно мал, коэффициент передачи тока такого транзистора
в схеме ОЭ не превышает 1—3. Если ток, проходящий через
диод, достаточно мал, влиянием паразитного транзистора можно
пренебречь.
При обратном включении диода ИМС необходимо учиты-
вать, что напряжения, прикладываемые к нему и к изолирую-
щему р-и-переходу, не должны превышать пробивных напря-
жений. Максимально допустимое обратное напряжение для
I, II и IV вариантов построения диодов ограничивается напря-
жением пробоя перехода эмиттер — база (обычно не превышает
10В), для III и V вариантов — напряжением пробоя перехода
коллектор — баз (50 — 60 В), а перехода коллектор — под-
ложка обычно составляет более 70 В. Параметром, определяю-
щим обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода,
является постоянный обратный ток, проходящий через него
при включении в обратном направлении. Основная составляю-
щая обратного тока кремниевых р-и-переходов — это ток термо-
генерации, зависящий от площади р-и-перехода и концентрации
центров рекомбинации в области его объемного заряда. При
всех вариантах включения диодов обратные токи изменяются
в пределах 0,1 - 100 нА.
Кроме обычных выпрямительных диодов в полупроводни-
ковых ИМС находят применение и другие типы, например ста-
билитроны (опорные диоды), которые реализуются по тем же
принципам, конкретные схемы включения биполярных тран-
зисторов выбираются в зависимости от заданного напряжения
и температурной стабильности.
Для стабилизации напряжения до 10 В используют эмиттер-
ный р-и-переход транзистора (вариант II), работающий в режиме
электрического пробоя, а для стабилизации напряжения в не-
сколько десятков вольт — включение транзистора с оборванной
базой в режиме лавинного пробоя коллекторного р-и-перехода.
§ 30. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ИМС
Биполярные транзисторы являются основными элементами полу-
проводниковых ИМС. Поэтому исходя из предъявляемых требований
структура активных областей транзисторов должна обеспечивать их
оптимальные электрические характеристики.
Основными электрофизическими параметрами активных
областей биполярных транзисторов являются: концентрации
атомов легирующих примесей; подвижность электронов и
дырок; времена жизни и скорости рекомбинации неосновных
88
носителей; диэлектрическая проницаемость исходного полу-
проводникового материала. В большинстве случаев в ИМС ис-
пользуются транзисторы и-р-и-типа, преимущества которых
по сравнению с транзисторами р-и-р-типа состоят в относительно
высоком коэффициенте усиления, более высоком быст-
родействии и меньших токах утечки.
Наиболее часто биполярные транзисторы ИМС изолируют
обратно включенным р-и-переходом и реже - диэлектриком
(поликристаллическим кремнием, диоксидом или нитридом
кремния, ситаллом, оксидом алюминия) .
Структуры биполярных транзисторов ИМС, изолированных
обратно включенным р-и-переходом и диэлектриком, показа-
ны на рис. 66, а, б.
Транзисторы, изолированные р-и-п ерехо-
д о м, как правило, имеют планарно-эпитаксиальную структуру
со скрытым и+-слоем коллектора, т. е. изготовляются на исход-
ной полупроводниковой пластине p-типа, на поверхность кото-
рой предварительно наращивают эпитаксиальный слой противо-
положного типа электропроводности, имеющий толщину 5 —
10 мкм. При формировании планарно-эпитаксиальных структур
сначала локальной диффузией атомов бора p-типа в эпитак-
сиальном слое и-тип а получают изолированные области и-типа.
Эпитаксиальный
слои кОПЛектор Ваза Эмиттер
,4"а\ h
Коллектор база Эмиттер
Рис. 66. Структуры интегрального биполярного тран-
зистора, изолированные обратно смещенным р-п-
переходом (а) и диэлектриком (6)
89
Затем двумя последовательными локальными диффузиями
соответственно атомов бора и фосфора в созданных локальных
изолированных областях и-типа формируют р-и-переходы кол-
лектор — база и эмиттер — база.
Распределение концентраций примесных атомов в актив-
ных областях планарно-эпитаксиального биполярного тран-
зистора ИМС показано на рис. 67. Внутри изолированного
кармана такого транзистора обычно создают так называемый
скрытый и+-слой коллектора, имеющий высокую концентра-
цию атомов какого-либо элемента V группы. Для этого перед
эпитаксиальным наращиванием слоя и-типа проводят допол-
нительную диффузию чаще всего сурьмы, имеющей относитель-
но невысокий коэффициент диффузии. Скрытый слой увеличи-
вает коэффициент усиления транзистора по току при его работе
в инверсном режиме, что весьма существенно для обеспечения
оптимального режима работы цифровых ИМС. Примесные
атомы, введением которых получают базовую и змиттерную
области, распределяются неравномерно и имеют наибольшую
концентрацию на поверхности пластины.
Транзисторы с диэлектрической изо-
ляцией изготовляют, проводя локальную диффузию в пред-
варительно сформированные карманы, изолированные друг
от друга диэлектрическими слоями и располагающиеся внутри
пластины из поликристаллического кремния. Распределение
атомов легирующих примесей в активных областях таких
транзисторов такое же, как в соответствующих областях пла-
нарно-эпитаксиальных транзисторов с изолирующим р-м-пере-
ходом. Транзисторы с диэлектрической изоляцией имеют очень
малые токи утечки и обладают высокой стабильностью парамет-
ров. Недостатки этих транзисторов - сложность технологичес-
кого процесса получения изолированных карманов и высокая
Рис. 67. Распределение
концентраций примес-
ных атомов в актив-
ных областях планарно-
эпитаксиального бипо-
лярного транзистора
ИМС : •
1 — в коллекторной
области, 2 — в скры-
том л+-слое, 3, 4 --
в базовой и эмиттерной
областях
90
стоимость, что существенно ограничивают их применение в
полупроводниковых ИМС.
Рассмотрим характерные особенности наиболее распростра-
ненной структуры интегрального транзистора со скрытым
и+-слоем (рис. 68, а, б). Параметры слоев такой структуры
выбирают, учитывая предъявляемые к каждому из них проти-
воречивые требования.
Удельное объемное сопротивление кремниевой пластины
должно быть от 1 до 10 Ом-см, что обеспечивает получение
высокого пробивного напряжения перехода коллектор —
пластина и его малой барьерной емкости, а толщина — достаточ-
но большой (0,25 — 0,40 мм). Уровень легирования эпитаксиаль-
ного н-слоя выбирают, исходя из двух противоречивых требова-
ний: высокое пробивное напряжение и малую емкость перехода
коллектор — база обеспечивает низкий уровень легирования,
а малое последовательное сопротивление коллекторной облас-
ти — высокий. В большинстве случаев удельное сопротивление
эпитаксиального слоя составляет 0,1 — 0,5 Ом см, а его толщи-
на изменяется от 2,5 до 10 мкм. Тонкие эпитаксиальные слои
(до 3—5 мкм) существенно уменьшают паразитные емкости,
что способствует повышению максимальной рабочей частоты
ИМС.
В область коллектора, где формируется омический контакт
для создания и+-области, проводят диффузию донорной примеси.
Этим предупреждают инверсию слаболегированного эпитак-
сиального слоя, так как алюминий, используемый при выпол-
нении омического контакта, является акцептором. В транзис-
торной структуре со скрытым высоколегированным слоем
сопротивление коллекторной области обычно равно 10 —
50 Ом см.
Уровни легирования эмиттерной и базовой областей также
выбирают с учетом нескольких противоречивых требований.
В частности, для увеличения коэффициента инжекции эмитте-
ра и повышения пробивного напряжения перехода эмиттер —
Рис. 68. Структура
интегрального тран-
зистора со скрытым
л+-слосм
91
база уровень легирования базовой области должен быть до-
вольно низким. Однако сильное его снижение привило бы к не-
допустимому возрастанию паразитного омического сопротивле-
ния между контактом базы и ее активной областью. Кроме
того, если поверхностная концентрация базового слоя становит-
ся меньше 5 -1016 см-3, на его поверхности может образоваться
инверсная «-область, наводимая нескомпенсированным положи-
тельным зарядом, локализованным в защитном слое диоксида
кремния. В результате между коллекторной и эмиттерной об-
ластями возникает проводящий закорачивающий слой.
Высокий уровень легирования эмиттера необходим для
получения большого коэффициента инжекции. Но при очень
высоких уровнях легирования кремния (до 1021 см-3), близ-
ких к пределу растворимости, искажается структура кристалли-
ческой решетки, что уменьшает время жизни неосновных носи-
телей заряда в базе и, следовательно, коэффициент инжекции.
Как видно из рис. 68, а, структура планарно-эпитаксиаль-
ного транзистора полупроводниковой ИМС отличается от струк-
туры дискретного транзистора тем, что его коллекторный
вывод выполнен на верхней стороне исходной подложки, что
обусловливает более высокое последовательное сопротивление
коллекторной области. Скрытый л+-слой шунтирует высокое
сопротивление коллекторной области и уменьшает коэффициент
усиления паразитного транзистора р-л-р-типа, образующегося
между базой p-типа и подложкой p-типа при прямом включении
перехода база — коллектор.
Внутри базовой области транзистора, изготовленного ло-
кальными диффузионными процессами, возникает сильное
электрическое поле, обусловленное изменением примесной
концентрации. Поэтому перенос неосновных носителей заряда
через базу осуществляется как в результате их диффузии, так
и дрейфа под действием электрического поля. Поскольку тол-
щина активной области базы очень мала, время пролета неос-
новных носителей заряда через базу не является основным
фактором, определяющим частотные свойства интегральных
транзисторов. В большинстве случаев частотные характеристики
транзисторов ИМС зависят от паразитных емкостей р-л-перехо-
дов и последовательных сопротивлений коллекторной и базо-
вой областей транзисторов. Влияние паразитных емкостей и
сопротивлений может быть снижено максимально возможным
уменьшением геометрических размеров транзисторов.
§ 31. МОП-ТРАНЗИСТОРЫ ИМС
По принципу действия МОП-транзисторы относятся к униполярным
приборам и прохождение тока в них вызвано направленным перемеще-
нием через канал только одного из типов основных носителей заряда
(электронов или дырок).
Поэтому МОП-транзисторам присущи некоторые особен-
ности. По сравнению с биполярными МОП-транзисторы имеют
меньшие уровни шумов, более высокую температурную стабиль-
ность электрических параметров, повышенную стойкость к
воздействию внешних факторов и низкую потребляемую мощ-
ность.
МОП-транзисторы ИМС являются симметричными прибо-
рами, т. е. их области истока и стока взаимозаменяемы. Так
как входное и выходное сопротивления МОП-транзисторов
в закрытом состоянии достигают нескольких мегаом, их вольт-
амперные характеристики подобны ВАХ электронных ламп
и управляются напряжением, а не током.
Особенностью структуры МОП-транзисторов ИМС является
также то, что ток в них проходит между их истоками и стоками
параллельно поверхности подложки. Это позволяет существенно
увеличить плотность упаковки элементов в МОП ИМС по срав-
нению с ИМС на биполярных транзисторах.
Вследствие того, что при формировании нескольких МОП-
транзисторов на одной пластине их истоки и стоки оказываются
разделенными встречно включенными р-и-переходами сток —
пластина и исток — пластина, гальваническая связь между
транзисторами определяется лишь малыми обратными токами
этих переходов, т. е. их дополнительная изоляция не требуется
и не надо создавать изолирующие карманы, как при изготовле-
нии ИМС на биполярных транзисторах. Следовательно , МОП-
транзисторы можно располагать ближе друг к другу, что повы-
шает плотность упаковки и использование площади пластины.
Поскольку МОП-транзисторы ИМС не требуют специаль-
ной изоляции, они по структуре не отличаются от дискретных
компонентов. В качестве примера на рис. 69 приведена струк
тура интегрального инвертора на МОП-транзисторах, схема
которого была показана на рис. 34. Такой инвертор использу-
ют в качестве основного каскада во многих цифровых МОП
ИМС. Поскольку область стока транзистора VT1 и область
истока транзистора И72 короткозамкнуты, их изготовляют
в виде единой области p-типа, соединенной с выходным элек-
тродом инвертора. По геометрическим размерам структура
такого инвертора гораздо меньше структуры аналогичной
93
Ry Rkiy -IL. -JI
7 ' П
Рис. 69. Структура ин-
тегрального инвертора на
МОП-транзисторах:
1,2- транзисторы
ИМС на биполярных транзисторах. Ин-
вертор, структура которого показана
на рис. 69, является базовым для
ИМС на МОП-транзисторах (МОП ИМС).
Интегральные МОП-транзисторы в
отличие от дискретных приборов могут
работать на более высоких частотах.
Так как металлизированная разводка
в МОП ИМС весьма компактна, пара-
зитные емкости невелики.
В полупроводниковых ИМС широ-
ко применяются устройства, сочетающие п- и р-канальные МОП-
транзисторы, называемые комплементарными, или КМОП-
транзисторами. Принципы действия п- и р-канальных МОП-
транзисторов одинаковы, а их параметры зависят от подвижности
электронов и дырок, а также структуры приповерхностного
слоя полупроводника в равновесном состоянии. Поэтому МОП-
транзисторы с каналами различных типов электропроводности
имеют неодинаковое быстродействие и пороговое напряжение
при одинаковых геометрических размерах и равных концент-
рациях примесных атомов в активных областях структур.
При изготовлении МОП ИМС на комплементарных МОП-
транзисторах (КМОП ИМС) МОП-транзисторы с каналами
и- и p-типов изготовляют на одной пластине в едином техноло-
гическом цикле. При этом МОП-транзистор какого-либо одного
типа располагают в специально формируемом диффузией или
эпитаксиальным наращиванием кармане. Так, если используют
пластину кремния и-типа электропроводности, то МОП-тран-
зистор с индуцированным каналом p-типа изготовляют в ней,
а МОП-транзистор с индуцированным каналом и-типа — в кар-
мане р-типа.
Структура комплементарной пары МОП-транзисторов пока-
зана на рис. 70. Исходным материалом при изготовлении комп-
лементарных МОП ИМС, как правило, служит кремний и-типа
электропроводности, легированный фосфором до концентра-
ции (1 -г 2) -1015 см-3. Поверхностная концентрация примес-
ных атомов акцепторной примеси в кармане p-типа обычно
составляет 1016 см-3. Кремниевые пластины, применяемые
для изготовления КМОП ИМС, имеют диаметр 100 или 125 мм.
Кроме того, КМОП-транзисторы изготовляют в виде моно-
кристаллической кремниевой островковой изоляции на сап-
фировых пластинах (рис. 71). Выращиваемый в этом случае
слой монокристаллического кремния имеет электропровод-
ность, близкую к собственной. В островки проводят диффузию
акцепторов и доноров, получая соответственно МОП-транзис-
94
Рис. 70. Структура комплемен-
тарной пары МОП-транзисторов,
выполненных на сапфировой
пластине
Рис. 71. Структура комплементар-
ной пары МОП-транзисторов с
островковой изоляцией:
1,2— транзисторы, 3 — пласти-
на сапфира
торы с индуцированными каналами р- и «-типов электропро-
водности. Поскольку исходным материалом, на котором форми-
руются МОП-транзисторы, являются островки, электропро-
водность которых близка к собственной, каждый такой тран-
зистор имеет независимые параметры высокой стабильности.
Положительное влияние на свойства КМОП ИМС на сапфиро-
вых пластинах оказывает совершенная электрическая изоля-
ция островков и использование вертикальных р-п-переходов.
Однако такие структуры имеют весьма существенный недос-
таток — очень сложный рельеф поверхности, затрудняющий
выполнение металлизации.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какую аппаратуру называют микроэлектронной?
2. Какие ИМС называют пленочными, полупроводниковыми и гиб-
ридными?
3. Каковы принципы группового метода изготовления ИМС?
4. Как определяют степень интеграции ИМС?
5. По каким признакам классифицируют ИМС?
6. Какие способы изоляции элементов ИМС вы знаете?
7. Каковы особенности резисторов и конденсаторов ИМС?
8. Какие схемы диодных включений транзисторов ИМС вы знаете?
9. Какими способами изолируют биполярные транзисторы ИМС?
10. Каковы особенности МОП-транзисторов ИМС?
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
§ 32. ОСНОВНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
Цифровые ИМС предназначены для преобразовании и обработки
сигналов, изменяющихся по законам дискретных функций, т. е. имею-
щих только два возможных значения, и строятся на логических элемен-
тах, обладающих двумя устойчивыми состояниями.
95
Цифровые ИМС преимущественно применяют в устройст-
вах дискретной автоматики, вычислительной техники и техни-
ки связи.
Простейшим логическим элементов является транзистор-
ный ключ, характеризующийся двумя устойчивыми состоя-
ниями: разомкнутым и замкнутым. На основе простейших тран-
зисторных ключей строятся более сложные схемы — логические,
триггерные, бистабильные.
Для выполнения цифровыми ИМС арифметических опера-
ций используется двоичная система счисления, основанием ко-
торой является число 2. Любое десятичное число можно пред-
ставить в виде комбинации нулей и единиц. Например, число
37 в двоичной системе счисления можно представить так: 37 =
= 1 -2s + 0-24 + 0-23 + 1-22 + 0-21 +1 20.Следовательно, можно
записать, что 37 =100101 .
По сравнению с другими системами счисления в двоичной
системе арифметические действия выполняются более просто.
В цифровых ЭВМ разряды двоичных чисел представляются
двумя сигналами, один из которых соответствует единице,
а другой — нулю. Для этого применяют два кода: потенциаль-
ный и импульсный.
При потенциальном коде двоичным числам
соответствуют различные уровни напряжения; например, еди-
нице — высокий, а нулю — низкий. Эти уровни сохраняются в
течение всего времени представления данного числа.
При импульсном коде двоичным числам
соответствуют импульсы различной длительности, например,
единице — наличие импульса, а нулю — его отсутствие. Эти уров-
ни сохраняются в течение всего времени представления данного
числа. Кроме того, единице и нулю могут соответствовать им-
пульсы различной полярности, например, единице — положи-
тельной, а нулю — отрицательной.
Если логической 1 соответствует более высокий уровень
потенциала, а логическому 0 — более низкий, принято считать,
что используется положительная логика', если же, наоборот,
1 — низкий уровень потенциала, а 0 — высокий, принято
считать, что используется отрицательная логика.
Цифровые ИМС строятся на логических элементах (элек-
тронных схемах) выполняющих простейшие логические опе-
рации и различные логические функции.
Логические операции и логические функции изучаются
в алгебре логики, или булевой алгебре. С точки зрения алгебры
логики, всякое простое высказывание может быть либо истин-
ным, либо ложным. На основе простых высказываний строятся
сложные. Истинность или ложность сложных высказываний
96
находится в определенной зависимости от истинности или
ложности простых.
Эти зависимости описываются алгеброй логики. Если обо-
значить простые высказывания буквами а, Ь, с, .. . , а сложные —
буквами Л, В, С,. . . , можно записать следующую функциональ-
ную зависимость:
A =f\(a, Ъ,с,...В =f2(a, b,c,...J; С =f3(a, b, с, ...J и т.д.
При этом следует иметь в виду, что аргументы а, Ь, с, . . .
и функции А, В, С. . . могут принимать только значения логи-
ческого 0 и логической 1.
Алгебра логнкн основывается на выполнении простых логических
операций: логического отрицания НЕ (инверсия), логического сложе-
ния ИЛИ (дизъюнкция) и логического умножения И (конъюнкция).
Логические связи, образуемые простыми высказываниями,
наиболее полно отражаются таблицами истинности, которые
характеризуют функциональную связь между аргументами
а, Ь, с,... и функциями Л, В, С...
Рассмотрим простейшие логические операции, отражая
функциональные зависимости, характерные для различных
сочетаний аргументов, соответствующими таблицами истин-
ности.
Операция логического отрицания НЕ
преобразует истинное высказывание в ложное и наоборот.
Например, высказывание ’’пять больше десяти” является лож-
ным, но при введении в это высказывание отрицания оно ста-
новится истинным и выражается как ’’пять НЕ больше десяти”.
Символически результат выполнения операции логического
отрицания записывают так: Л = а (читается Л равняется не
я). Эта операция является функцией только одного аргумен-
та, который может принимать два значения в табл. 8.
Т а б л и ц а 8. Операция
логического отрицания
а А
О 1
1 О
Схему, выполняющую операцию логического отрицания,
называют инвертором или схемой НЕ.
Операция логического сложения ИЛИ
является функцией нескольких аргументов и позволяет обра-
97
зовать сложное высказывание из нескольких простых. При
этом логическая связь между сложным высказыванием и прос-
тыми будет такой, что сложное высказывание является истин-
ным, если истинно хотя бы одно из простых высказываний,
и ложным, если ложны все высказывания. Символически опе-
рацию логического сложения записывают так:
А =а + b + с + ... .
Результаты выполнения операции ИЛИ для функции, зави-
сящей от двух аргументов, представлены в табл. 9.
Таблица 9. Операция логического сложения Таблица! 0. Операция логического умножения
а ь А а ь А
0 0 0 0 0 0
0 1 1 0 1 0
1 0 1 1 0 0
1 1 1 1 1 1
Как видно из табл. 9, логическая функция ИЛИ для двух
аргументов может принимать четыре различных значения, соот-
ветствующие четырем возможным сочетаниям аргументов.
Для трех аргументов эта функция принимает восемь значений,
для четырех — 16 и тд. Следовательно, в общем случае функ-
ция логического сложения, как и любая другая логическая
функция, зависящая от нескольких аргументов, принимает
2” значений (где и — число аргументов функции) .
Операция логического умножения И,
как и операция сложения ИЛИ, позволяет образовать сложное
высказывание из простых, однако логическая связь между
ними является такой, что сложное высказывание будет истин-
ным тогда и только тогда, когда истинны все простые выска-
зывания, и ложным, если ложно хотя бы одно простое. Симво-
лически операцию логического умножения записывают так:
А =аb•с•... .
Результаты выполнения операции И для функции, завися-
щей от двух аргументов, приведены в табл. 10.
Как уже отмечалось, на основе простых логических опера-
ций могут быть построены сложные. Рассмотрим некоторые
сложные логические операции, наиболее часто реализуемые
электронными логическими схемами.
98
операция отрицания логического сло-
жения ИЛИ-HE представляет собой логическую операцию,
в соответствии с которой сложное высказывание истинно тогда
и только тогда, когда ложны все простые высказывания, и
ложно, если истинно хотя бы одно простое. Эту логическую
операцию называют также стрелкой Пирса. Символически опе-
рацию отрицания логического сложения записывают так:
А =а + b + с + ... .
Результаты выполнения операции ИЛИ-HE для функции,
зависящей от двух аргументов, приведены в табл. 11.
Т а б л и ц а 11. Операция
отрицания логического сложения
Таблица! 2. Операция отри-
цания логического умножения
а Ь А а Ъ А
J 1 1 0 110
'10 0 10 1
0 10 0 11
0 0 1 0 0 1
Из табл. 11 видно, что выражение а + b для операции ИЛИ-
НЕ равнозначно выражению а-b для операции логического ум-
ножения инвертированных значений аргументов.
Операция отрицания логического ум-
ножения И-НЕ, называемая также штрихом Шеффера, пред-
ставляет собой логическую операцию, согласно которой сложное
высказывание истинно тогда и только тогда, когда ложно хотя
бы одно из простых высказываний, и ложно, если истинны
все высказывания. Символически операцию ’’штрих Шеффера”
записывают так:
А = аbс ... .
Как и в предыдущем случае, путем соответствующих преоб-
разований можно показать, что результат выполнения этой опе-
рации представляется также в виде эквивалентного выражения
А =7Г +1> + с + . .. .
Результаты выполнения операции отрицания логического
умножения для функции, зависящей от двух аргументов, приве-
дены в табл. 12.
Логическая операция равнозначности
определяется как действие, при выполнении которого сложное
99
высказывание истинно тогда и только тогда, когда истинны
или ложны все простые высказывания. Символически операцию
равнозначности записывают так:
А =а о b .
Результаты выполнения операции равнозначности для функции,
зависящей от двух аргументов, приведены в табл. 13.
Т а б л и ц а 13. Операция равнозначности Таблица14. Отрицани! равнозначности
а ь А а ь А
1 1 1 1 1 0
1 0 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1
0 0 1 0 0 0
Логическая операция отрицания равно-
значности определяется как действие, в соответствии с
которым сложное высказывание истинно тогда и только тог-
да, когда хотя бы один из аргументов функции принимает
значение, отличное от значений остальных аргументов, и ложно,
если все высказывания или истинны, или ложны. Эта логичес-
кая операция широко распространена и называется также сложе-
ние по модулю 2 и исключающее ИЛИ. Символически операцию
отрицания равнозначности записывают так:
А = а о b .
Результаты выполнения операции отрицания равнозначнос-
ти для функции, зависящей от двух аргументов, приведены
в табл. 14.
Цифровые ИМС предназначены для выполнения функций
записи, запоминания и считывания информации, что обеспечи-
вает возможность построения на их основе арифметических,
запоминающих и управляющих устройств ЭВМ.
Как уже отмечалось, в логических элементах, реализующих
выполнение логических функций, логические единицы и нули
обычно представляются разными потенциалами в определенных
точках схем, соответствующими уровню единицы Ur и уровню
нуля (/0. Разность уровней единицы и нуля называют логичес-
ким перепадом:
&.U = L\ - Uo .
100
1 Логическим перепад должен быть достаточно
(чтобы логические 1 и 0 отличались друг от друга
'чайных помехах не было ложных срабатываний.
i, Наиболее широкое распространение получили
большим,
и при слу-
цифровые
ДОМС на биполярных и МОП-транзисторах, так как они обес-
Гчивают высокие надежность, помехоустойчивость, быстро-
йствие и имеют малую потребляемую мощность, стойки
S широком диапазоне рабочих температур к воздействиям
данешних факторов и недороги.
§ 33. СХЕМЫ, РЕАЛИЗУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ
ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
Простейшие ключи на биполярных или МОП-транзисторах, явля-
ющиеся основой цифровых ИМС, служат для построения схем резистивно-
транзисторной РТЛ, диодно-транзисторной ДТП, транзисторно-транзис-
торной ТТЛ и эмиттерио-связанной ЭСЛ логики, а также бистабильных,
триггерных и других ИМС.
Все цифровые ИМС выпускаются сериями, каждая из кото-
рых представляет собой набор микросхем, выполненных по
единой конструкторской и технологической документации на
базе определенного логического элемента, но отличающихся
реализуемыми логическими функциями и согласующихся
по входным и выходным уровням сигналов.
Рассмотрим схемы, реализующие основные логические
функции.
Электрическая схема простейшего транзисторного ключа
показана на рис. 72. Транзистор
включен по схеме ОЭ. Управ-
ляемой (прерываемой) цепью
является коллекторная цепь с
источником питания С/и п и на-
грузкой в виде резистора .
При отрицательной поляр-
ности напряжения С/0 эмиттер-
ный р-и-переход включен в об-
ратном направлении, транзис-
тор закрыт и ток в цепи нагруз-
ки мал. Поэтому напряжение
UK3 на выходе ключа близко
к напряжению UH п источника
питания.
При положительной поляр-
ности напряжения U5 и его
Рис. 72. Электрическая схема
простейшего транзисторного
ключа
101
достаточно большом значении транзистор открыт и в цегщ
нагрузки проходит ток 1К. Поэтому напряжение на выходе
ключа близко к нулю.
Таким образом, схема транзисторного ключа инвертирую,
щая, так как при увеличении входного напряжения С/0 от отри-
дательных значений к положительным выходное напряжение
UK3 уменьшается от напряжения Ua п источника питания до ма-
лого остаточного напряжения, зависящего от сопротивления
транзистора в открытом состоянии.
Базовая схема резистивно-транзисторной логики РТЛ стро-
ится на основе транзисторных инверторов (ключей), коллек-
торы и эмиттеры которых объединены, а нагрузка коллектор-
ной цепи является общей (рис. 73) .
При положительной логике высокое напряжение соответ-
ствует логической 1, а низкое — 0. Если на все входы схемы
подано низкое напряжение (логических 0), транзисторы за-
крыты и на выходе поддерживается высокое напряжение, при-
близительно равное напряжению источника питания Utl п, что
соответствует логической 1. При подаче на любой из входов
высокого напряжения (логической 1) соответствующий тран-
зистор откроется, через него и нагрузочный резистор RK будет
проходить коллекторный ток и произойдет падение напря-
жения ии п на этом резисторе. В этом случае напряжение на
выходе упадет до уровня логического 0. Следовательно, для
положительной логики эта схема выполняет логическую опе-
рацию ИЛИ-НЕ.
Рис. 73. Базовая схема резисторно-транзисторной
логики
102
{При отрицательной логике высокое напряжение соответ-
ствует логическому 0, а низкое - 1. Если на все входы схемы
подано высокое напряжение (логические 0), транзисторы от-
крыты и на выходе поддерживается низкое напряжение (логи-
i ческая 1). Для получения на выходе схемы логического 0,
iy. е. высокого напряжения, необходимо, чтобы транзисторы
: были закрыты, т. е. на все входы надо подать низкое напряжение
(логические 1). Следовательно, для отрицательной логики
! эта схема выполняет логическую операцию И-НЕ.
Рассматривая работу других логических схем, предполо-
жим, что они работают в положительной логике.
Базовая схема диодн о-т ранзисторной
логики ДТП (рис. 74), выполняющая операцию И-НЕ,
строится на диодной логической схеме И и транзисторном
инверторе и имеет два источника напряжений и п и ^и.п
: соответственно для их питания. Уровень логической 1 диодной
схемы, приблизительно равный напряжению U'K п , должен
обеспечивать надежное открывание транзистора. Уровень ло-
гического 0 диодной схемы равен суммарному падению на-
; пряжения на открытом диоде 6/ур, а также на участке кол-
лектор — эмиттер UK3 предыдущей логической схемы и обычно
составляет 1,2 — 1,4 В. В базовую цепь транзистора включены
диоды VD1 и VD2, обеспечивающие надежное закрывание тран-
зистора.
Суммарное время выключения твыкл (т. е. перехода из
[открытого состояния в закрытое) диодов VD1 и VD2 должно
быть несколько больше времени рассасывания неосновных
носителей транзистора трас (т. е. перехода из состояния насы-
щения к состоянию отсечки) в базовой области. Это повышает
помехоустойчивость схемы, т. е. снижает вероятность ее сраба-
1тывания от случайных импульсов напряжения на входе. Таким
образом, диоды VD1 и VD2 служат также для согласования
I входных и выходных напряжений и повышают помехозащи-
I щенность схемы.
В Базовая схема транзисторно-транзис-
I т о р н о й логики ТТЛ (рис. 75) отличается от схемы
» ДТЛ тем, что вместо диодной логической схемы на ее входе
1 используется транзисторная. Интегральная технология позволяет
1 создавать полупроводниковые структуры сложной конфигу-
I рации, например транзисторов с одной базовой и коллектор-
| ной областью и несколькими эмиттерными, называемых мно-
I гоэмиттерными. Входной логической схемой И в схемах ТТЛ,
I которые по принципу действия не отличаются от схемы ДТЛ,
| служит многоэмиттерный транзистор. Функцию диодов VD1
1' и VD2 (см. рис. 74) выполняет переход коллектор — база тран-
I 103
7 о
2 о
Вх' 3 о
-о
.го к}
Рис. 74. Базовая схема диодно-транзисторной
логики
Рис. 75. Базовая схема транзисторно-транзис-
торной логики
Рис. 76. Электрическая схема (а) и времен-
ные диаграммы (б) переключателя тока
зистора VT1 (рис,
75). Схема ТТЛ, как
и схема ДТЛ, выпол-
няет логическую
операцию И-НЕ для
положительной ло-
гики, но имеет мень-
ше элементов и бо-
лее проста в изго-
товлении. В такой
схеме используют
общий источник пи-
тания для выходной
логической схемы и
инвертора.
Б а з о в а я
схема эмит-
т е р н о-с в я з а н-
ной логики
ЭСЛ (рис. 76, а)
строится на основе
транзисторных пере-
ключателей тока,
или токовых ключей
(ПТТЛ). В общую
эмиттерную цепь
транзисторов VT1 и
VT2 включен генера-
тор тока I, обладаю-
щий внутренним со-
противлением, на-
много превышаю-
щим сопротивление
внешней цепи и
обеспечивающий по-
стоянство суммар-
ного тока, проходя-
щего через оба тран-
зистора. При высо-
ком отрицательном
потенциале (логи-
ческом 0) на входе
транзистор VT1 за-
крыт и весь ток
I проходит через
104
транзистор VT2. В этом случае на коллекторе транзистора
VT1 поддерживается низкий отрицательный потенциал (логи-
ческая 1), а на коллекторе транзистора VT2 — высокий отри-
цательный потенциал (логический 0). При подаче на вход тран-
зистора VT1 низкого отрицательного потенциала этот транзис-
тор открывается и весь ток от генератора I будет проходить
через него. Следовательно, произойдет переключение тока
из цепи транзистора VT2 в цепь транзистора VT1. Напряжение
на Вых 1 схемы при этом уменьшится, а на Вых 2 увеличится.
Таким образом, на одном из выходов схемы ЭСЛ (Вых
1), образуется инвертированный сигнал, а на другом (Вых
2) — повторенный, что видно из временных диаграмм (рис.
76, б). Следовательно, переключатель тока одновременно явля-
ется инвертором и повторителем сигнала, что используют при
построении сложных логических схем.
Генератор тока I выбирают так, чтобы транзисторы VT1
и VT2 ни при каких условиях не работали в режиме насыщения,
иначе существенно возрастет время переключения схемы, т. е.
уменьшится ее быстродействие. Обычно в качестве генератора
тока в объединенную эмиттерную цепь включают резистор,
имеющий относительно высокое сопротивление. Для созда-
ния опорного напряжения применяются схемы формирования.
Для согласования входных и выходных сигналов и повышения
нагрузочной способности схемы к Вых 7 и Вых 2 подключают
эмиттерные повторители.
Базовая схема эмиттерно-связанной
логики, реализующая логические схемы ИЛИ-HE и ИЛИ
на три входа, показана на рис. 77. Трехвходовая логическая
схема собрана на транзисторах VT1, VT2, VT3 и VT4, схема
генератора опорного напряжения — на транзисторе VT5 и диодах
VD1 и VD2, а эмиттерные повторители — на транзисторах VT6
и VT7.
Рис. 77. Логическая схема ИЛИ-HE на основе базовой
схемы эмиттерно-связанной логики
105
§ 34. БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ
Кроме логических схем на биполярных транзисторах в микроэлек-
тронике широкое распространение получили логические схемы иа МОП-
транзисторах, которые, как известно, в отличие от биполярных управ-
ляются не токами, а потенциалами и имеют высокое входное сопротив-
ление, что исключает потребление энергии по цепям управления.
Таким образом, МОП-транзисторы по своим электричес-
ким свойствам подобны электровакуумным лампам-триодам,
а их выходные вольт-амперные характеристики — анодным
характеристикам пентодов.
Базовые логические схемы отрица-
тельной логики строятся на р-канальных МОП-тран-
зисторах, а положительной — на «-канальных. Простейшие схемы
инверторов на МОП-транзисторах, выполняющие логическую
операцию НЕ, были рассмотрены в § 17.
Для примера на рис. 78, а, б приведены трехвходовые базо-
вые логические схемы ИЛИ-HE и И-НЕ на р-канальных МОП-
транзисторах. Логическую схему ИЛИ-HE (рис. 78, а) получают
параллельным включением стоков и истоков МОП-транзисторов
VT1 — VT3 при общем нагрузочном МОП-транзисторе VT4.
При подаче иа все входы схемы логических 0 (низкий отри-
цательный потенциал) транзисторы закрыты и на выходе под-
Рис. 78. Логические схемы ИЛИ-HE (а) и И-НЕ (б) на основе базовой
схемы на МОП-транзисторах с каналом р-типа
106
держивается отрицательный потенциал, примерно равный напря-
жению источника питания UH п (логическая 1). При подаче
хотя бы на один из входов схемы логической 1 (высокого от-
рицательного потенциала) соответствующий транзистор откры-
вается и потенциал на выходе резко понижается (логический
0), что соответствует выполнению логической операции
И ЛИ-НЕ.
Логическую схему И-НЕ (рис. 78, б) получают последова-
тельным соединением МОП-транзисторов. При подаче на все
входы схемы логического 0 (низкий отрицательный потенциал)
транзисторы VT1 - VT3 закрыты и на выходе поддерживается
высокий отрицательный потенциал (логическая 1). При подаче
на все входы схемы логической 1 транзисторы открываются,
потенциал на выходе уменьшается (логический 0), что соот-
ветствует выполнению логической операции И-НЕ.
Базовой логической схемой на комп-
лементарной паре МО П-т р а н з и с то ро в
(КМОП-схема) является инвертор, схема которого для отри-
цательной логики показана на рис. 79. Для получения инвер-
тора, работающего в положительной логике, необходимо изме-
нить полярность питающего напряжения и типы электропро-
водности каналов транзисторов.
Рассмотрим принцип действия такого инвертора, работаю-
щего в отрицательной логике. При нулевом потенциале на
входе схемы транзистор VT1 с каналом р-типа закрыт. В резуль-
тате на выходе инвертора, т. е. на стоке транзистора VT1 и
истоке транзистора VT2, образуются отрицательные потенциа-
лы. Так как потенциал на затворе транзистора VT2 будет более
положительным, чем потенциал на истоке транзистора VT1,
Рис. 79. Электрическая схема
инвертора на комплементар-
ной паре МОП-транзисторов
Рис. 80. Двухвходовая логи-
ческая схема ИЛИ-HE на ком-
плементарных МОП-транзис-
торах 107
транзистор VT2 откроется и на выходе инвертора установится
высокий отрицательный потенциал, близкий к потенциалу
источника питания — UH п, что соответствует логической 1 при
отрицательной логике. При подаче на вход инвертора отрицатель-
ного потенциала (логическая 1) транзистор VT1 откроется и
потенциал на его стоке будет отрицательным. При этом тран-
зистор VT2 с каналом и-типа закроется. Следовательно, высокий
отрицательный потенциал на входе инвертора одновременно
открывает транзистор VT1 и закрывает транзистор VT2 и на
выходе устанавливается нулевой потенциал, соответствующий
логическому 0.
Таким образом, в статическом режиме при любом состоя-
нии схемы инвертора, т. е. логическом 0 или 1 на выходе, потреб-
ления тока от источника питания не происходит, так как один
из транзисторов открыт, а другой — закрыт. Этим объясняется
высокая экономичность логических схем на КМОП-транзисто-
рах. Так как в динамическом режиме энергия от источника
питания расходуется только на перезаряд паразитных емкос-
тей, потребление ее пропорционально частоте переключения ин-
вертора.
На основе КМОП-инверторов выполняются логические
схемы И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Двухвходовая логическая схема ИЛИ-HE (рис. 80) отри-
цательной логики состоит из двух р-канальных МОП-транзис-
торов VT1 и VT2, соединенных параллельно, и двух и-каналь-
ных МОП-транзисторов VT3 и VT4, соединенных последователь-
но. При нулевом потенциале на входе (логический 0) транзис-
торы VT1 и VT2 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты.
При этом на выходе устанавливается высокий отрицатель-
ный потенциал, соответствующий напряжению источника пита-
ния UH n. При подаче на любой из входов (например, на Вх. 1)
высокого отрицательного потенциала (логической 1) один
из параллельно включенных транзисторов с каналом р-типа
открывается (в данном случае транзистор VT1), а один из
последовательно соединенных транзисторов с каналом и-типа
закрывается (в данном случае транзистор VT4) и на выходе
образуется нулевой потенциал, что соответствует логическому
0. Для увеличения числа входов необходимо увеличить коли-
чество параллельно и последовательно соединенных соответ-
ственно р- и n-канальных МОП-транзисторов. Двухвходовую
логическую схему И-НЕ отрицательной логики получают, сое-
диняя верхние (относительно выхода — на рис. 80) МОП-тран-
зисторы с каналами n-типа последовательно, а нижние парал-
лельно.
Для построения аналогичных схем положительной логики
108
необходимо заменить электропроводность каналов МОП-тран-
зисторов и полярность источника питания на противоположные.
§35. ТРИГГЕРЫ ИМС
Триггеры интегральных микросхем выполняются иа двух инте-
гральных инверторах, на выходах которых в устойчивом состоянии
действуют высокий и низкий потенциалы, соответствующие логическим
1 и 0 (положительная логика) или логическим 0 и 1 (отрицательная ло-
гика) .
Триггеры, как уже отмечалось, могут находиться в одном
из двух возможных устойчивых состояний. Такие электронные
схемы называют бистабильными. Следовательно, если при
какой-либо комбинации сигналов триггер установится в опре-
деленное состояние, он останется в этом состоянии, даже если
эта комбинация сигналов на входе исчезнет. Перевести триггер
в другое состояние может только другая комбинация сигналов.
Таким образом, триггер обладает памятью, что ие характерно для
других логических схем, т. е. ие только принимает одно из двух возмож-
ных устойчивых состояний, ио ’’запоминает”, или ’’хранит”, его.
Триггеры (рис. 81) состоят из запоминающего устройства,
т. е. бистабильной схемы БС, и схемы управления СУ, распоз-
нающей сигналы управления и переключающей бистабильную
схему из одного состояния в другое.
Бистабильную запоминающую схему (рис. 82, а) выполняют
на двух инверторах, соединяя выход первого из них с входом
второго, а выход второго — с входом первого. В результате
получают симметричную схему, состоящую из левого (тран-
зистор VT1 и резистор R1) и правого (транзистор VT2 и ре-
зистор R2) плеч.
Рис. 81. Структурная схема триггера
109
Рис. 82. Электрическая (в) и функциональная
(б) схемы бистабильной схемы на двух инвер-
торах
Рассмотрим физические процессы, происходящие в биста-
бильной схеме при подключении источника питания. В первый
момент времени через оба транзистора проходят коллекторные
токи. Однако, несмотря на кажущуюся симметрию схемы, в
действительности она имеет некоторую асимметрию, обуслов-
ленную случайным разбросом параметров транзисторов, резис-
торов, монтажа и др. Вследствие асимметрии или случайных
изменений тока, проходящего через плечи схемы, в момент
подключения источника питания через коллекторы транзисто-
ров будут проходить неодинаковые токи.
Предположим, что через транзистор VT1 будет проходить
ток, несколько превышающий ток, проходящий через транзис-
тор VT2. При этом потенциал коллектора транзистора VT1,
а следовательно, и базы транзистора VT2 будет несколько
ниже, чем на базе транзистора VT1. Это приведет к уменьшению
тока, проходящего через транзистор VT2, и возрастанию потен-
циалов его коллектора и базы транзистора VT1, что, в свою
очередь, вызовет увеличение тока, протекающего через транзис-
тор VT1.
При увеличении тока через транзистор VT1 он переходит
в режим насыщения. При уменьшении тока через транзистор
VT2 он переходит в режим отсечки. В результате схема прини-
мает стационарное состояние, при котором транзистор VT1
открыт, а транзистор VT2 закрыт (рис. 82, б). С выхода тран-
зистора VT1 напряжение, соответствующее логическому О,
поступает на базу транзистора VT2, с выхода этого транзистора
напряжение, соответствующее логической 1, поступает на базу
транзистора VT1, на выходе которого вновь преобразуется в
напряжение, соответствующее логическому 0.
ПО
Таким образом, при включении источника питания триггер
находится в состоянии, при котором с выходе транзистора
VT1 поступает логический 0, а с выхода транзистора VT2 —
логическая 1. Это состояние будет поддерживаться до отклю-
чения питания. Последующим включением питания схема снова
случайно установится в такое же или в противоположное сос-
тояние. При идеальной симметрии вероятность того или иного
состояния схемы одинакова. Следовательно, такая схема не-
управляема и запоминает случайные состояния.
Для превращения бистабильной схемы в триггер необходима
схема управления, способная распознавать сигналы, поступаю-
щие на входы или выходы этой схемы, и переключасть ее из
одного состояния в другое в зависимости от вида управляющего
сигнала (или сигналов).
Триггер имеет два выхода (с каждого плеча бистабильной
схемы) и несколько входов, количество которых определяется
его логикой работы и построением схемы управления. Рассмот-
рим логику работы триггера, обозначив логическое состояние
одного из его выходов Q (логический 0 или логическая 1),
а другого — Q (читается ”не Q"), что представляет собой инвер-
сию состояния Q. Таким образом, если триггер находится в сос-
тоянии, при котором 2 = 1, это означает, что на его выходе
2 будет логическая 1, а на выходе Q — логический 0 и наоборот,
если 2 = 0, то 2 = 1 • Кроме того, чтобы учитывать процесс пере-
ключения триггера, его состояние в момент времени t (до
прихода очередного управляющего сигнала) обозначают Qt,
а в последующий момент времени t + 1 (после подачи управляю-
щего сигнала) - 2?+i •
В зависимости от логики работы схемы управления триг-
геры подразделяют на два типа: с раздельным или счетным за-
пуском, для каждого из которых характерна определенная
последовательность поступления логических 0 и 1. Первый
тип получил название RS-триггеров (от английских слов reset -
переключение и set — установление), а второй Т-триггеров.
Наиболее широкое распространение получили триггеры, имею-
щие кроме счетного входа Т дополнительные входы раздель-
ного запуска R и S и входы управления J и К. Такие триггеры
называют комбинированными vumJK-триггерами.
Простейшими являются .RS-триггеры как по логике работы,
так и по реализации, которые выполняют на двух логических
двухвходовых элементах ИЛИ-HE (рис. 83, а, б) или И-НЕ
(рис. 84, я). Для удобства объяснения логики работы RS-триг-
геров условимся их входы 2 и 2 > используемые для обрат-
ных связей, называть внутренними, a R и S - внешними.
Работу RS-т риггера на элементах ИЛИ-НЕ
111
а)
Рис. 83. Функциональная
схема (а), условное гра-
фическое обозначение (б),
временные диаграммы (в)
и таблица состояний (г)
Л5-триггера на логических
элементах ИЛИ-НЕ
®
(рис. 83, а) рассмотрим, приняв, что на выходе одного из этих
элементов логическая 1 будет тогда и только тогда, когда
на его обоих входах будут логические 0. В остальных случаях
на выходе этого элемента будет логический 0.
Допустим, что в момент времени (рис. 83, в) происходит
включение источника питания и на входах R и S триггера будут
логические 0 (R = S = 0). В этом случае триггер установится
в одно из возможных устойчивых состояний, как ранее опи-
санная бистабильная схема на двух инверторах (см. рис. 82),
например в состояние Q = 1. Это означает, что на выходе Q
Kt 5f Qt4
7 1
7 0 0
0 1 1
0 0 X
л St-
0 0 at
0 7 i
1 0 0
1 / л
в)
г)
Рис. 84. Функциональная схема (а) и таблица состояний (6) ^-триг-
гера на логических элементах И-НЕ (в, г)
112
(рис. 83, а) и, следовательно, на_внутреннем входе Q будут
логические 1. Так как на выходе Q логическая 1 инвертируется
в логический^ 0, то на выходе Q, а следовательно, и на внутрен-
нем входе Q будут логические 0. Логические 0 на внешнем
входе R и внутреннем входе Q обеспечивают логическую 1
на выходе О. Таким образом, триггер находится в устойчивом
состоянии 0 = 1.
Теперь предположим, что в момент времени t2 на внешнем
входе S будет логическая 1, а на внешнем входе 7? сохранится
логический 0. Логическая 1 подтвердит на внутреннем входе
Q логическую 1, поэтому на выходе Q будет логический 0, т. е.
состояние триггера не изменится (0 = 1).
Пусть в момент времени t3 (рис. 83, в) на внешнем входе
R (рис. 83, а) будет логическая 1, а на внешнем входе S —
логический 0. Логическая 1_ на входе R приведет к появлению
логического 0 на выходе 0, а следовательно, и на внутреннем
входе 0. В результате на выходе 0 будет логическая 1, которая
подтвердит логическую 1 на внутреннем входе 0, т. е. триггер
перейдет в другое состояние, на выходе 0 будет логический
0. Если теперь на внешние входы R и S подать логический
0 (момент времени г4), триггер не изменит своего состояния:
0 = 0, а приход очередной логической 1 в момент времени
ts на внешний вход S снова установит его в состояние 0 = 1.
Рассмотрим случай, когда на оба внешних входа R и S
будут поданы логические 1. При этом на выходах 0 и 0 устано-
вятся логические 0, которые также поступят на их внутренние
входы. В следующий момент времени t6, когда на входы R
и S будут поданы логические 0, триггер окажется в неустой-
чивом состоянии, так как на входах и выходах будут логичес-
кие 0, что противоречит логике его работы. Поэтому триггер
самопроизвольно примет одно из возможных состояний 0=1
или 0=0, как и в момент включения t,.
Следовательно, используя 7?5-триггер, необходимо избе-
гать состояний R =5 = 1, которые являются запрещенными.
Таким образом 7?5-триггер работает в соответствии со
следующей логикой (рис. 83, г).
При R = 0 и 5 = 0 триггер остается в состоянии, в котором
он находился до прихода сигнала.
При R = 0 и 5 = 1 на выходе 0 триггера будет 1 (0 = 1)
независимо от того, в каком состоянии он находился.
При R =1 и S =0 на выходе 0 триггера будет 0 (0=0)
независимо от того, в каком состоянии он находился.
При R = 1 и S = 1 состояние триггера является запрещенным.
Входы R к S триггера называют соответственно входами
установки логических 1 и 0.
5—475 11 з
Работа RS-т риггера на логических эле-
ментах И-НЕ (рис. 84, а) отличается от работы триггера на
логических элементах ИЛИ-HE (см. рис. 83, а) тем, что логи-
ческий 0 на его выходе Q будет только при логических 1 на
входах R и S. Таким образом, логический элемент И-НЕ инвер-
сен логическому элементу ИЛИ-НЕ.
Допутим, что в исходном состоянии на обоих внешних
входах триггера R и S будут 0, тогда при любых сигналах на
внутренних выходах Q и Q будут логические 1. Поэтому состоя-
ние R = 0и5 = 0 RS-триггера на элементах И-НЕ запрещено.
Выберем в качестве исходного состояние R = 1 и 5 = 1
(рис. 84, б). Тогда при включении источника питания триггер
с одинаковой вероятностью займет одно из устойчивых состоя-
ний, например Q = 1. Если после этого на внешний вход R подать
логический О (R = 0), то триггер не изменит состояния, так
как на выходе Q сохранится логическая 1, которая вместе
с логической 1 на внутреннем входе Q подтвердит логический
0. При подаче на входы 5 и R соответственно логических 0 и
1 (S = 0 и R = 1) на выходах Q и Q появятся соответственно
°?
Рис. 85. Функциональная схема
комбинированного триггера на
шести логических элементах И-НЕ
(<г) и его условное графическое
обозначение (6)
логические 1 и 0, т. е. триггер
переключится в состояние Q ~
= 0.
Сравнение таблиц состоя-
ний RS-триггеров на элементах
ИЛИ-HE и И-НЕ (см. рис.
83, г и рис. 84, б) показывает,
что эти триггеры отличаются
взаимной инверсией всех вход-
ных и выходных сигналов.
Комбинированные
триггеры (рис. 85, а, б),
называемые также JKRST-
триггерами, выполняются на
шести логических элементах
И-НЕ,_ имеют два основных
Q и Q выхода и пять входов;
Т - счетный; R и S — установ-
ки логических 0 и 1; J и К -
управления логическими 0 и 1.
При управлении триггером
по счетному входу с приходом
каждой очередной логической
1 схема переходит из состоя-
ния Q в состояние Q при раз-
решающих сигналах на всех
114
остальных входах (Qt+i = Qt). а с приходом логического О
не изменяет своего состояния (£2f+i =Q().
При управлении триггером по входам J и К происходит
следующее:
с приходом логической 1 на вход J и логического 0 на
вход К схема переходит в состояние логической 1 при поступ-
лении очередной логической 1 на вход Г (синхронная установка
логической 1);
с приходом логической 1 на вход К и логического 0 на
вход J схема переходит в состояние логического 0 при поступ-
лении очередной логической 1 на вход Г (синхронная установка
логического 0);
с приходом логической 1 на оба входа схема переходит
из состояния Q в состояние Q\ при J - 0 и К - 0 схема блоки-
руется и остается в предыдущем состоянии независимо от
состояния счетного входа.
При управлении по входам/? hS комбинированный JKRST-
триггер работает так же, как Л5-триггер, независимо от состоя-
ний входов J, К, Т S.
Комбинированные триггеры могут также выполняться на
элементах ИЛИ-HE. При этом логика их работы такая же, как
у триггеров на элементах И-НЕ, но все входные и выходные
сигналы должны инвертироваться.
§ 36. ЭЛЕМЕНТЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Запоминающие устройства предназначены для приема, хранения
и выдачи информации, представленной в виде двоичного кода.
В настоящее время на основе ИМС разработаны и серийно
выпускаются различные типы запоминающих устройств, кото-
рые отличаются выполняемыми функциями, принципами дей-
ствия и технологией изготовления.
Запоминающие устройства ЗУ подразделяют на внеш-
ние и внутренние. Внешние ЗУ в основном в ыполня-
ются на магнитных лентах и на дисках, предназначены для
длительного хранения информации и имеют большую емкость.
Внутренние ЗУ подразделяют на оперативные ОЗУ и пос-
тоянные ПЗУ.
Оперативные ЗУ в основом выполняются на триг-
герах, предназначены для записи, хранения и считывания проме-
жуточных данных в процессе вычислений, а также небольших
стандартных программ, необходимых для решения типовых
задач. Особенность ОЗУ состоит в том, что они обладают воз-
можностью быстрого попеременного ввода и вывода (записи
5* 115
Рис. 87. Электрическая схема
запоминающего элемента на RS-
триттере
Рис. 86. Электрическая схема дина-
мического запоминающего элемента
и считывания) информации, причем для проведения этих опе-
раций доступна любая ячейка.
Запоминающие элементы, используемые в ОЗУ, подразде-
ляют на динамические и статические и в соответствии с этим
ОЗУ называют динамическими и статическими.
Динамические запоминающие элементы ЗЭ (рис. 86) чаще
всего выполняются на основе МОП-транзисторов, причем запись
в них информации осуществляется при заряде конденсаторов,
а считывание — при разряде. При записи информации входной
сигнал через транзистор КГ/ поступает на затвор транзистора
VT2, в результате чего конденсатор С заряжается. Когда тран-
зистор VT1 закрыт, заряд на конденсаторе сохраняется и тран-
зистор VT2 находится в открытом или закрытом состоянии
в зависимости от значения входного сигнала. Вследствие очень
медленного разряда конденсатора С через входное сопротивле-
ние транзистора VT2 информация сохраняется до момента
следующего открывания транзистора VT1. Так как выходной
сигнал снимается со стока транзистора VT2, конденсатор С
не шунтируется нагрузкой, которой является транзистор VT3.
Следует отметить, что записанную таким образом информа-
цию нельзя сохранять в течение длительного времени, потому
что выходное сопротивление транзистора VT1, когда он закрыт,
шунтирует конденсатор С. Кроме того, конденсатор С шунти-
руется входным сопротивлением открытого транзистора VT2.
В результате максимальное время запоминания или минималь-
ная рабочая частота динамического ЗЭ определяется емкостью
конденсатора С и сопротивлениями транзисторов VT1 и VT2.
В динамических ЗУ на МОП-транзисторах в качестве кон-
денсаторов обычно используют емкости МОП-структур.
Статические ЗЭ представляют собой матрицы на триггерах,
116
которые могут выполняться как на биполярных, так и на
МОП-транзисторах. Рассмотрим принцип построения стати-
ческого ЗЭ на триггере, выполненном на двух МОП-ннверторах
(транзисторы VT1 и VT3), схема которого была показана на
рис. 37. Функции резисторов выполняют МОП-транзисторы
VT2 и VT4. Если при подаче информационного сигнала записи
транзистор VT1 открыт, напряжение на его стоке близко к
нулю. Поскольку сток транзистора VT1 соединен с затвором
транзистора VT3, этот транзистор закрыт, потенциал на его сто-
ке равен 13и п - (7пор и больше порогового напряжения t7nop.
Поступая на затвор транзистора VT1, этот потенциал поддержи-
вает его открытое состояние. Таким образом, триггер находит-
ся в устойчивом состоянии, при котором транзистор VT1 от-
крыт, а транзистор VT3 закрыт. Если подачей внешнего сигна-
ла изменить состояние триггера, например подать сигнал на
затвор транзистора VT3, который откроется, а транзистор
VT1 при этом закроется, такое устойчивое состояние триггер
будет сохранять до прихода следующего информационного
сигнала записи.
Рассмотренный ЗЭ выполнен на бистабильной схеме —
триггере, который имеет также цепи управления, устанавливаю-
щие его при подаче внешних сигналов в одно из возможных
устойчивых состояний.
При построении статических ЗЭ па биполярных транзисторах
широко используют ЛУ-триггеры (рис. 87). В таких ЗЭ в каж-
дое плечо триггера параллельно основным транзисторам VT1
и VT4 включают дополнительные транзисторы VT2 и VT3, ко-
торые являются основой цепей управления.
По сравнению с ЗЭ на биполярных транзисторах ЗЭ на
МОП-транзисторах (МОП ЗЭ) экономичнее, значительно ком-
пактнее, но имеют меньшее быстродействие.
Постоянные ЗУ выполняются на диодных и транзис-
торных матрицах, программируемых в процессе изготовления,
предназначены для хранения и считывания постоянных величин
(констант, табличных и информационных данных) и поэтому
иногда называют ЗУ с памятью только для считывания. Таким
образом, изменение записанной информации в таких ЗУ невоз-
можно. Диоды (или биполярные транзисторы) соединяют
в матрицах ПЗУ между собой и с цепями считывания информа-
ции. Для записи необходимой информации матрицы в процессе
изготовления программируют, пережигая соединения между
структурами и цепями считывания.
Кроме того, используют ПЗУ на МОП-транзисторах (МОП
ПЗУ), которые располагаются в матрицах так же, как диоды.
Для записи информации затворы соответствующих МОП-тран-
зисторов металлизируют.
Разновидностью ПЗУ являются одностронние ЗУ (ОдЗУ),
которые в основном используются для хранения и считывания
информации, но позволяют изменять записанные данные.
Эти ПЗУ выполняются на МОП-транзисторах с плавающим
затвором, не имеющим электрического соединения с внешним
электродом (МОПОДЗУ), а также на МНОП-транзисторах,
имеющих структуру металл — нитрид кремния — диоксид
кремния — полупроводник (МНОП ЗУ).
Постоянные МОП ОдЗУ, изготовляемые в едином техноло-
гическом цикле в виде ИМС, содержат накопитель и цепи
управления, имеют высокую степень интеграции, малую по-
требляемую мощность и не требуют специальных усилителей
считывания, а также формирователей записи и опроса. Запись
информации в МОП ОдЗУ производится электрическим сигна-
лом, а считывание в зависимости от того, какие свойства пла-
вающего затвора МОП-транзисторов используются, — электри-
ческими или оптическим.
Постоянные МНОП ЗУ, также изготовляемые в едином
технологическом цикле в виде ИМС, имеют цепи управления
и накопитель, в качестве которого служит граница раздела
между нитридом и диоксидом кремния. В зависимости от зна-
чения сигнала записи изменяется заряд-в слое нитрида кремния
и на границе его раздела со слоем диоксида. Этот заряд может
сохраняться в течение длительного времени, что соответствует
хранению информации, которую при необходимости можно
считать.
Кроме рассмотренных применяют также ОдЗУ на диодах,
выполненных на основе аморфных полупроводников. Хотя
такие ЗУ обладают высоким быстродействием и низкой себе-
стоимостью, они получили меньшее распространение, чем МОП
ОдЗУ. Причинами этого являются низкая стабильность их пара-
метров и плохая воспроизводимость.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие ИМС называют цифровыми?
2. Какими кодами представляют двоичные числа?
3. На выполнении каких основных логических операций основы-
вается алгебра логики?
4. Что такое таблица истинности?
5. Что понимают под серией цифровых ИМС?
6. Каковы основные особенности схем РТЛ, ДТП, ТТЛ и ЭСЛ?
7. Каков принцип действия бистабильной триггерной схемы?
8. Как классифицируют запоминающие устройства?
9. Как выполняются динамические и статические ОЗУ?
10. Какие типы ПЗУ вы знаете?
118
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
§ 37. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Аналоговые ИМС предназначены для усиления, преобразования
и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функ-
ции (например, по синусоидальному, квадратичному, экспоненциаль-
ному и др.). Частным случаем аналоговых являются ИМС, предназначен-
ные для обработки линейных сигналов, называемые линейными ИМС.
Аналоговые ИМС, выполненные на простейших усилитель-
ных каскадах, служат основой для построения многокаскад-
ных усилителей, стабилизаторов напряжения и тока, преобразо-
вателей частоты (модуляторов и детекторов), генераторов си-
нусоидальных колебаний и других устройств.
По сравнению с цифровыми аналоговые ИМС являются
более сложными и их электрические характеристики сущест-
венно зависят от стабильности и возможных пределов измене-
ния параметров активных и пассивных элементов и компонен-
тов. Аналоговые ИМС имеют следующие основные особенности.
Во-первых, аналоговые ИМС универсальны и многофунк-
циональны, что уменьшает их стоимость и повышает эффектив-
ность производства.
Во-вторых, аналоговые ИМС содержат гораздо больше
элементов, чем требуется для реализации определенной функ-
ции конкретного устройства, что является следствием много-
функциональности.
В-третьих, аналоговые ИМС должны обладать как можно
меньшей чувствительностью к разбросам параметров элемен-
тов. Это особенно важно для линейных ИМС, так как в боль-
шинстве случаев они представляют собой прецизионные устрой-
ства, чувствительность которых к разбросу параметров может
быть причиной заметного отклонения характеристик от
заданных.
Особенностью аналоговых ИМС является также широкое
использование в них обратных связей для выполнения таких
функций, как, например, коррекция характеристик, избиратель-
ное усилие. Кроме того, аналоговые ИМС часто выполняются
на каскадах с непосредственными связями, так как использо-
вание конденсаторов в блокирующих и разделительных цепях
ухудшает их характеристики во всем диапазоне частот и умень-
шает быстродействие.
По мере совершенствования технологии изготовления но-
менклатура и объем выпуска аналоговых ИМС увеличиваются,
чему способствуют следующие факторы:
119
получение структур биполярных транзисторов с высокими
пробивными напряжениями;
разработка интегральных СВЧ биполярных транзисторов;
высокая степень согласованности параметров различных
элементов, выполненных на одном кристалле;
возможность получения на одном кристалле биполярных
транзисторов п-р-п- и р-л-р-типов и КМОП-транзисторов;
создание RC-, RL- и АС-структур с распределенными пара-
метрами.
В зависимости от выполняемых функций аналоговые ИМС
подразделяют на операционные и многоцелевые усилители,
компараторы напряжения, ограничители, перемножители, актив-
ные и пассивные фильтры, стабилизаторы напряжения и тока,
аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и
ЦАП), коммутаторы и ключи, формирователи, генераторы,
детекторы, смесители, модуляторы, усилители-формирователи
и усилители считывания для ЗУ и др.
Операционные усилители ОУ — наиболее
распространенный вид аналоговых ИМС широкого примене-
ния — служат универсальным базовым элементом для построе-
ния многих аналоговых устройств. Составной частью операцион-
ных усилителей является дифференциальный усилитель (ДУ),
на основе которого обычно выполняются первые каскады ОУ.
Многоцелевые усилители предназначены
для усиления сигналов в широком диапазоне частот. Миогоопе-
рационными являются усилители низких, промежуточных и
высоких частот, видеоусилители и широкополосные усилители,
выполняемые на ОУ.
Компараторы напряжения служат для срав-
нения и преобразования пороговых сигналов в цифровую форму
и выполняются на ОУ.
Ограничители служат для ограничения, а также
изменения формы сигналов и выполняются на базовых элемен-
тах аналоговых ИМС (ОУ, компараторов и др.) и нелинейных
элементах (диодах, транзисторах).
Перемножители служат для перемножения двух
аналоговых сигналов, используются для модуляции, демодуля-
ции, умножения, деления и гетеродирования частот и выпол-
няются на биполярных и МОП-транзисторах.
Фильтры служат для частотной селекции (фильтрации),
предназначены для выделения полезного сигнала, выполняются
на ОУ и RC-, RL-, АС-структурах и микрополосковых линиях.
Для фильтрации в диапазоне низких частот используют актив-
ные фильтры на основе ОУ, в диапазоне радиоволн -RC-.RL-
и АС-структуры, а в диапазоне СВЧ - микрополосковые линии.
120
Стабилизаторы напряжения служат для
поддержания напряжения на заданном уровне и используются
в основном в цепях питания и выполняются на диодах и тран-
зисторах.
Аналого-цифровые и цифроаналоговые
прео бразователи АЦП и ЦАП, являющиеся основными
аналоговыми ИМС, используются для преобразования анало-
говых сигналов в цифровые и цифровых в аналоговые (т. е.
выполняют цифровую обработку аналоговых сигналов и их
последующее преобразование) и выполняются в основном на
МОП-транзисторах.
Коммутаторы и ключи служат для распреде-
ления во времени информации, поступающей на обработку
от нескольких датчиков, и выполняются на биполярных и
МОП-транзисторах.
Формирователи, генераторы, детекторы,
смесители, модуляторы, усилители-фор-
мирователи, усилители считывания для
ЗУ и другие служат для формирования, преобразования и сопря-
жения сигналов и выполняются на ОУ.
Кроме того, в настоящее время разработаны и выпускаются
многоцелевые аналоговые БИС, к которым относятся, напри-
мер, программируемые ОУ и таймеры. Программируемые
ОУ состоят из одного или нескольких ОУ, перестраиваемых
на два и более режимов работы. Таймеры, настраиваемые внеш-
ней коммутацией обратной связи, реализуют различные спе-
циальные аналоговые функции, характерные для импульсной
техники.
Изготовление аналоговых ИМС основано на использовании
типовых процессов биполярной, гибридной или МОП-техноло-
гаи. Серии аналоговых ИМС разрабатываются на основе базово-
го элемента (например, ОУ) и состоят из микросхем различного
исполнения, которые в совокупности позволяют выполнять
аналоговые устройства. Так, разработанная в последнее время
серия К174 состоит из более чем 20 типов аналоговых ИМС
и предназначена для изготовления радио- и телевизионных
приемников и магнитофонов.
§ 38. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Дифференциальные усилители (ДУ) являются базовым элементом
аналоговых ИМС, выполняются как на биполярных, так и на МОП-тран-
знсторах и предназначены для усиления постоянных разностных (диффе-
ренциальных) сигналов, а также мощности сигналов низких, промежуточ-
ных и высоких частот.
121
и п
Рис. 88. Электрическая
схема дифференциаль-
ного усилителя
Электрическая схема дифференци-
ального усилителя (рис. 88) имеет
два одинаковых (симметричных) пле-
ча, каждое из которых содержит би-
полярный транзистор и резистор, а в
общую эмиттерную цепь включен ис-
точник тока 10. Входные и выходные
напряжения ДУ формируются как раз-
ности входных 1/б1, U52 и выходных
(7ВЫХ напряжений, соответственно пода-
ваемых на базы транзисторов VT1
и VT2 и снимаемых сих коллекторов.
Схема такого ДУ подобна схеме
переключателя тока, однако режим
его работы другой, так как транзис-
торы всегда открыты и работают в
активном режиме. Источник тока 10
обеспечивает стабильность работы ДУ.
Основное требование, предъявляемое к ДУ —необходимость
идеальной симметрии его плеч во всем диапазоне рабочих темпе-
ратур, т. е. идентичность параметров транзисторов и резисторов
R1 и R2. Это требование может быть выполнено только при
изготовлении всех элементов на одной подложке в едином
технологическом цикле, что обеспечивается интегральной тех-
нологией.
При отсутствии внешних сигналов токи и коллекторные
напряжения транзисторов VT1 и VT2 одинаковы, а выходное
напряжение 17вых = 0 и вследствие симметрии сохраняется
при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих
плечах, чем бы оно ни вызывалось. Следовательно, в идеальном
ДУ дрейфа выходного напряжения нет, хотя в каждом из плеч
он может быть достаточно большим.
Допустим, что на базы транзисторов VT1 и И72 поданы
одинаковые как по значению, так и по знаку напряжения
(Д1/б1 = Д1/б2). Такие сигналы называются синфазными.
Под действием синфазных сигналов потенциалы эмиттеров и
баз транзисторов становятся равными, т. е. Д1/э = Д1/б. Если
источник тока является идеальным, т. е. R, = 00, приращение
напряжения на эмиттерах Д£7Э не вызовет изменения токов
в ветвях ДУ. При этом коллекторные потенциалы не изменят-
ся и выходное напряжение остается равным нулю. Если источник
тока не является идеальным, т. е. Rj =#= 0, появляется прира-
щение тока Д/о, которое поровну распределяется между обе-
ими ветвями ДУ, и коллекторные потенциалы изменяются оди-
наково. Следовательно, и в этом случае напряжение на выходе
122
будет равно нулю и можно сделать вывод о том, что в идеальном
ДУ синфазные сигналы не оказывают влияния на выходное на-
пряжение.
Если на базы транзисторов VT1 и VT2 подать равные по
значению, но противоположные по полярности напряжения
(Д17б1 = — At/62), т. е. дифференциальные сигналы, то их раз-
ность будет входным напряжением ДУ:
вх 61 62
Вследствие симметрии напряжение t/BX поделится поровну
между обоими эмиттерными переходами транзисторов, причем
на одном из них оно увеличится, а на другом уменьшится на
0,5 t/Bx. Следовательно, приращения токов н коллекторных
потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по значению,
но противоположными по полярности и его выходное на-
пряжение
U = AU . - MJ . .
вых к1 к2
Таким образом, идеальный ДУ реагирует только на диф-
ференциальный сигнал.
Поскольку при приложении к входам идеального ДУ син-
фазных сигналов дрейф выходного напряжения отсутствует,
считают, что ДУ обладает способностью подавлять синфазный
сигнал, причем происходит это тем лучше,чем больше сопротив-
ление источника тока. Поэтому вместо источника тока в общую
эмиттерную цепь транзисторов VT1 и И72 (рис. 89) можно
Рис. 89. Электрическая схема
дифференциального усилителя с
высокоомным резистором в
эмиттерной цепи транзисторов
Рис. 90. Электрическая схема
дифференциального усилителя с
дополнительными элементами в
эмиттерной цепи транзисторов
123
включить высокоомный резистор Ro. Создание такого резис-
тора в полупроводниковой ИМС — сложная задача, поэтому
вместо него используют высокоомную схему смещения
(рис. 90), состоящую из транзисторов VT3 и VT4 и резисторов
R3 - R5. Так как при низких напряжениях транзистор VT3
при работе в активном режиме обладает большим сопротив-
лением (обычно более нескольких сотен килоом), такая
схема смещения эквивалентна источнику тока. Режим работы
транзистора VT3 задают резисторами, включенными в его ба-
зовую и эмиттерную цепи. Транзистор VT4 выполняет в схеме
функцию диода и служит дня компенсации температурного
изменения напряжения на р-и-переходе база — эмиттер тран-
зистора VT3.
Преимущества ДУ, выполняемых на МОП-транзисторах
(МОП ДУ), обусловлены большими входными сопротивлени-
ями этих транзисторов и их технологичностью.
§ 39. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Идеальный операционный усилитель ОУ представляет собой уси-
литель напряжения, обладающий очень высоким коэффициентом усиле-
ния напряжения, большим входным сопротивлением н низким вы-
ходным.
Электрические схемы большинства ОУ многокаскадные и
выполняются на дифференциальных усилителях. С помощью
операционных усилителей реализуют множество устройств,
предназначенных для выполнения различных математических
операций.
Для изменения операций, выполняемых ОУ (например,
вместо сложения — деление, вместо дифференцирования —
интегрирование), в них широко используют цепи обратной свя-
зи, в которые включают резисторы, конденсаторы, катушки
индуктивности.
На рис. 91 показана функциональная схема операцион-
ного усилителя DA с цепью обратной связи, состоящей из двух
резисторов R1 nR2.
Операционные усилители используются в качестве сумми-
рующих устройств (рис. 92), выходной сигнал которых равен
сумме нескольких входных сигналов:
U = -R , (U1 /Rt+ U" /R2 + U"'/R3) .
вых обр v вх' * ВХ' z вх'
При включении реактивных элементов в цепь обратной
связи ОУ могут использоваться для выполнения операций ин-
тегрирования, дифференцирования, а вместе с аналоговым
умножителем — для деления и извлечения квадратного корня.
124
Основными пара-
метрами операционных
усилителей являются:
коэффициент уси-
ления напряжения -
отношение выходного
напряжения к входно-
му;
напряжение смеще-
ния — входное на-
пряжение, которое дол-
жно быть приложено к
входным зажимам, что-
бы выходное напряже-
ние стало равным
нулю;
разность входных
токов — разность меж-
ду токами на двух
входах схемы при вы-
ходном напряжении,
равном нулю;
диапазон допусти-
мых синфазных напря-
жений — максималь-
ный диапазон входных
Рис. 91. Схема операционного усилителя
с отрицательной обратной связью
Рис. 92. Схема суммирующего усилителя
на основе операционного усилителя
напряжений, которые
одновременно можно приложить к обоим входам, не переводя
ОУ в режим отсечки или насыщения;
коэффициент подавления синфазного сигнала — отношение
коэффициента усиления дифференциального (разностного)
сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала при
разомкнутой цепи обратной связи;
коэффициент ослабления влияния напряжения источника
питания — отношение изменения выходного напряжения к
входному при изменении напряжения источника питания на 1 В;
скорость нарастания выходного напряжения - максималь-
ная скорость изменения выходного напряжения при подаче
на вход разности входных напряжений.
При разработке ОУ не удается оптимизировать все их харак-
теристики, например невозможно одновременно получить высокое
входное напряжение и малое напряжение смещения. Поэтому
часто приходится принимать компромиссные решения.
125
§ 40. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Интенсивная разработка ЦАП и АЦП, являющихся доста-
точно сложными изделиями микроэлектроники, обусловленная
потребностями цифровой обработки информации, осуществля-
лась поэтапно от простых наборов ИМС, на основе которых соз-
давались преобразователи, до БИС ЦАП и БИС АЦП, выполняе-
мых на едином исходном полупроводниковом кристалле.
Ниже будут приведены только общие сведения об особен-
ностях ЦАП и АЦП интегрального исполнения.
Цифроаналоговые преобразователи
выполняются на ОУ и резистивных матрицах. Схема такого
БИС ЦАП, преобразующего четырехразрядное двоичное число
в пропорциональное ему напряжение, показана на рис. 93, а.
Сопротивления резистивной матрицы типа R — 2R подобраны
так, что потенциалы точек а, Ь, с и d, соответственно равные
уоп. ^оп/2> уоп/4 и ^оп/8 (где Цоп - опорное напряжение,
подаваемое от внешнего источника), образуют ряд, пропор-
циональный значимости каждого разряда двоичной системы
счисления. С помощью ключей SO - S3 точки а - d матрицы
можно подключать через резисторы 2R к инвертирующему
входу ОУ. Таким образом, ЦАП является сумматором потен-
циалов точек а - d. На выходе ОУ напряжение
^вых = I8 (Z^> + 4 <Z2> + 2 (Z7> + 1 (Z°) 1 Ц,п 1Л«/ <16 *) J >
где (Z0) — (ZJ?) — состояние ключей SO - S3.
Если, например, ключ SO замкнут на общую точку, его
потенциал (Z0) = 0; если же этот ключ замкнут на вход ОУ,
то потенциал (Z0) = 1. Так, для преобразования числа 5, запи-
Рис. 93. Цифроаналоговый преобразователь на основе операцион-
ного усилителя и резистивной матрицы (а) и его функциональ-
ная схема (5)
126
сываемого в двоичном коде, как 0101, ключи S0 и S2 замыка-
ют на вход ОУ, а ключи S7 и S3 — на общую точку. В этом слу-
чае выходное напряжение
^вых = (8 0 + 4•1 + 2 -° + 1 • i) uon ^H/^) = 5t/on [Лн/(16К)].
Ключи БИС ЦАП могут выполняться как на биполярных,
так и на МОП-транзисторах. Функциональная схема ЦАП пока-
зана на рис. 93, б. Выводы 4 — 13 представляют собой цифровые
входы (вывод 4 — младший знаковый разряд, а вывод 13 —
старший). На вывод 15 подают напряжение Uon любой поляр-
ности (до ± 15 В), на вывод 14 - напряжение питания + 15 В,
а выводы 1, 2 и 16 служат для подключения внешнего ОУ.
Напряжение, снимаемое с выхода ОУ, пропорционально произ-
ведению входного числа и напряжения Uon .
Основными параметрами БИСЦАП являются:
разрешающая способность, определяемая числом разрядов
N и максимальным выходным напряжением;
абсолютная погрешность 5П, определяемая отклонением
выходного напряжения от номинального, соответствующая
последнему шагу преобразования и измеряемая в единицах
младшего значащего разряда (МЗР);
нелинейность 5Л, определяемая как наибольшее отклоне-
ние выходного сигнала от прямой линии абсолютной точности;
максимальная частота преобразования /Прб, при которой
параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.
Рис. 94. Функциональные схемы аналого-цифровых преобра-
зователей последовательного счета (а) и параллельного дей-
ствия (б) :
J - аналоговый вход, 2 - компаратор, 3 - цифроаналоговый
преобразователь, 4 - счетчик с логическим управлением,
5 - цифровой параллельный выход, 6 - вход для запуска,
7 - сброс, 8 - тактовые импульсы
127
Аналог о-ц ифровые преобразователи
в зависимости от принципов действия подразделяют на БИС
АЦП с ЦАП (последовательного счета) и без ЦАП (параллель-
ного действия).
В БИС АЦП последовательного счета (рис. 94, а) при запус-
ке по входу 6 специальным сигналом счетчик 4 начинает выраба-
тывать последовательно нарастающие числа. Выход счетчика
управляет схемой внутреннего ЦАП, вырабатывающего ступен-
чато нарастающее напряжение. Компаратор 2, выполненный
на внешнем ОУ, сравнивает входной аналоговый сигнал ЦАП
с опорным сигналом. В момент совпадения этих сигналов компа-
ратор останавливает работу счетчика, цифровой сигнал кото-
рого соответствует входному аналоговому сигналу. Для счи-
тывания цифрового сигнала счетчик имеет информационные
выходы 5.
В БИС АЦП параллельного действия без применения ЦАП
(рис. 94, б) входной сигнал одновременно подается на входы
многих компараторов 2, каждый из которых сравнивает его
с соответствующим опорным сигналом. Опорные сигналы
соседних компараторов отличаются на шаг дискретизации,
соответствующий единице младшего значащего разряда циф-
рового сигнала. Дешифратор преобразует поступающие с компа-
раторов сигналы в двоичное число.
Основными параметрами БИС АЦП являются:
разрешающая способность, определяемая разрядностью
и максимальным диапазоном входного (аналогового) напря-
жения;
точность, определяемая абсолютной погрешностью и нели-
нейностью преобразования;
быстродействие, характеризуемое временем преобразования
Гпрб’
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие схемы называют аналоговыми?
2. Что понимают под функциональной избыточностью аналоговых
ИМС?
3. Каков принцип действия дифференциальных усилителей?
4. Какие сигналы называют синфазными и противофазными?
5. Какие функции выполняют операционные усилители?
6. Какие устройства называются аналого-цифровыми и цифроана-
логовыми преобразователями?
7. Какими параметрами характеризуется БИС АЦП и БИС ЦАП?
8. Каковы различия между БИС АЦП последовательного счета и
параллельного действия?
128
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
§ 41. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
В предыдущих главах были рассмотрены интегральные
схемы и их элементы, причем под ИМС понимали монолитное
устройство, отдельные области которого эквивалентны дискрет-
ным элементам (резисторам, конденсаторам, катушкам индук-
тивности, трансформаторам, диодам, транзисторам и др.) элек-
тронной схемы.
Увеличение количества активных и пассивных элементов и
компонентов ИМС на одном кристалле и связанное с этим
уменьшение их размеров имеет определенные пределы, услож-
няются технология, осуществление эффективного теплоотвода,
а также существенно снижается надежность. Поэтому ИМС
постепенно перестанут удовлетворять разработчиков сложной
радиоэлектронной аппаратуры.
Оптимальным решением, которое позволяет увеличить
степень интеграции, улучшить условия теплоотвода и повы-
сить надежность, является переход к так называемым устрой-
ствам функциональной электроники. В отличие от изделий ин-
тегральной микроэлектроники в устройствах функциональной
электроники невозможно отождествить отдельные структурные
области с элементами электронной схемы. Устройства функцио-
нальной электроники можно характеризовать лишь по выпол-
няемой ими функции. В силу многообразия физических эффек-
тов, используемых в устройствах функциональной электрони-
ки, они могут обладать характеристиками, которые не имеют
ИМС и электронные схемы на дискретных элементах.
В устройствах функциональной электроники, как и в ИМС,
области, реализующие определенные электрические функции
и отличающиеся электрофизическими параметрами, создают
внутри кристаллических или аморфных твердых тел. Потоками
подвижных зарядов в таких устройствах управляют электри-
ческими, магнитными и тепловыми полями. Между техноло-
гией изготовления ИМС и устройств функциональной электро-
ники много общего.
Принцип действия устройств функциональной электроники
основан на таких физических явлениях, как инжекция, диффу-
зия и дрейф неосновных носителей, туннельный эффект, излу-
чательная и бызыэлучательная рекомбинации, накопление и
взаимодействие объемных зарядов, а также термоэлектричес-
ких, термомагнитных, гальваномагнитных и других эффектах.
Этим объясняются более широкие возможности устройств
функциональной электроники. 129
Примером устройства функцио-
нальной электроники может служить
выпрямитель напряжения, принцип
действия которого основан на тер-
моэлектрическом эффекте. Структура
такого выпрямителя показана на
= >10 в
о о-
---5—V
If-=98
U- I пг
--------о о---------1 рис. 95.
Генератор переменного напряжения
Рис. 95. Функциональный ц к омическим КОН-
выпрямитель напряжения _ _
тактам резистивнои области R, в
которой при прохождении переменного тока выделяется теп-
ловая энергия. Теплота распространяется через тонкую изоли-
рующую область I в термоэлектрическую область S, в которой
устанавливается некоторое стационарное распределение тем-
ператур, в результате чего появляется термоэдс. Поскольку
структура обладает достаточной теплоемкостью и, следователь-
но, инерционностью, распределение температур в термоэлек-
трической области в течение периода переменного напряжения
не изменяется и с контактов ее р-и-перехода можно снять
постоянное напряжение при весьма малой амплитуде пульса-
ций на выходе.
К функциональной электронике можно также отнести
некоторые широко используемые в интегральной микроэлек-
тронике схемы, например с распределенными параметрами,
а также полупроводниковые приборы, обладающие отрица-
тельным сопротивлением (например, туннельные диоды).
Таким образом, точно подразделить устройства на ИМС
и функциональные невозможно, так как некоторые элементы
ИМС по Принципу действия являются функциональными.
Поэтому в дальнейшем к функциональной электронике будем
относить устройства, выполняющие такие сложные функции,
как генерирование синусоидальных или импульсных сигналов,
усиление, выпрямление, умножение и деление частоты, детек-
тирование, частотную, фазовую и амплитудную модуляцию,
ограничение амплитуды и полосы частот, преобразование не-
прерывных величин в дискретные и др.
Рассмотрим некоторые устройства функциональной элек-
троники.
§ 42. АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Акустическими, или звуковыми, называют явления, обусловлен-
ные механическими колебаниями упругой среды. Основой акустоэлек-
гроиики является использование взаимодействия акустических и элек-
трических сигналов.
130
По принципу действия и режиму работы акустоэлектрон-
ные устройства подразделяют на резонансные и нерезонан-
сные. В настоящее время резонансные устройства наиболее
разработаны и распространены.
Принцип действия большинства акустозлектрических уст-
ройств основан на использовании пьезоэлектрического эффек-
та (пьезоэффекта}. Различают два типа пьезоэффекта: прямой
и обратный.
При прямом пьезоэффекте на поверх-
ности твердого тела под воздействием механических напря-
жений образуются электрические заряды.
При обратном пьезоэффекте геометричес-
кие размеры твердого тела изменяются при приложении к
нему электрического поля и восстанавливаются при его снятии.
Одним из наиболее распространенных материалов, приме-
няемых в акустоэлектронике, является монокристаллический
кварц. На основе кварца выполняют различные акустоэлектрон-
ные устройства, в частности кварцевые резонаторы.
Кварцевый резонатор, представляющий собой однородную
пластину кварца, можно рассматривать как электромеханичес-
кую систему пьезоэлектрического типа, в которой возбуждае-
мые объемные акустические волны вызывают ее поперемен-
ные сжатия и растяжения. Основным параметром кварцевого
резонатора является частота, на которой изменение полного
электрического сопротивления эквивалентного колебатель-
ного контура, состоящего из резистора, конденсатора и катуш-
ки индуктивности, носит резонансный характер. Частота коле-
баний кварцевого генератора зависит от длины пластины кварца.
Резонансные механические колебания возбуждаются в
кварцевом резонаторе при приложении к нему переменного
электрического поля. Наоборот, при возбуждении колебаний
механическим путем на обкладках резонатора появляется
электрическое напряжение. При этом резонатор должен иметь
механическую связь с источником колебаний.
Несмотря на то что в объеме однородной кварцевой плас-
тины невозможно выделить какие-либо локальные области,
соответствующие элементам эквивалентной схемы резонатора,
такая пластина выполняет его функции. Кварцевые резонаторы
широко используют в современной радиоэлектронной аппаратуре.
§ 43. МАГНЕТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Магнетоэлектроника представляет собой направление функциональ-
ной электроники и основывается иа разработке н использовании новых
магнитных материалов, обладающих малой намагниченностью насыщения,
131
а также технологических методов получения из них тонких магнитных
пленок.
Для перемагничивания пленки, толщина которой обычно
не превышает толщину одного магнитного домена, требуется
в 10 — 20 и в 10 — 30 раз меньше соответственно энергии и
времени, чем для перемагничивания ферритового сердечника.
Область магнитного материала, векторы намагниченности в ко-
торой имеют одинаковые направления, называют магнитным
доменом.
Наибольший интерес представляет использование тонких
металлических магнитных пленок в качестве элементов памя-
ти запоминающих устройств. Эти пленки позволяют создавать
надежные быстродействующие ЗУ с малой мощностью управ-
ления. Перспективны также устройства памяти на цилиндричес-
ких магнитных доменах (НМД), плотность записи информации
в которых достигает 105 бит/см2 при скорости ее обработки
3 -106 бит/с. На магнитных доменах с различными направления-
ми вектора намагниченности выполняют логические запоми-
нающие и переключающие элементы. Следовательно, магнит-
ные домены можно рассматривать как вычислительную среду,
изменение состояния которой под действием внешних элек-
трических и магнитных полей позволяет реализовать различные
функции логики, памяти и переключения.
Применение тонких магнитных пленок в качестве элементов
памяти основано на том, что они обладают двумя устойчивыми
состояниями, которые обусловлены так называемой одноос-
ной магнитной анизотропией, т. е. предпочтительной ориентацией
вектора намагниченности в продольном или поперечном на-
правлении пленки. Это свойство магнитные пленки приобре-
тают в процессе изготовления и последующей термической
обработки в магнитном поле.
Наиболее сильными анизотропными свойствами обладают
пленки пермаллоя, представляющего собой сплав никеля и
железа с небольшими добавками меди, хрома и молибдена.
Магнитные свойства пленок пермаллоя характеризуются зави-
симостью вектора намагниченности /мот напряженности Н
магнитного поля. Как видно из рис. 96, а, в этих пленках су-
ществуют оси легкого (ОЛН) и трудного (ОТН) намагничива-
ния. В направлении ОЛН петля гистерезиса замкнута, а в на-
правлении ОТН отсутствует. Положительному и отрицатель-
ному направлениям векторов намагниченности соответствуют
логические 1 и 0, которые записываются и хранятся в элемен-
тах памяти, выполняемых на тонких магнитных пленках, нане-
сенных на плоские (рис. 96, 6) или цилиндрические (рис. 96, в)
132
Рис. 96. Петля гистерезиса тонкой магнитной пленки (а) и прин-
ципы действия элементов памяти ЭВМ иа основе тонкой маг-
нитной пленки (6) и проволоки с электролитическим магнитным
покрытием (в) при хранении и считывании информации
основания. При записи информации вектор намагниченности
каждого элемента памяти приобретает определенную ориента-
цию в направлении ОЛН, которую сохраняет до прихода им-
пульсов считывания (ток чисел — на рис. 96, а, 6). Под дей-
ствием этих импульсов происходит поворот вектора намагни-
ченности, что соответствует считыванию информации (ток
слов — на рис. 96, а, 6).
Кроме того, на основе магнитных пленок пермаллоя из-
готовляют так называемую плоскую проволочную память
(рис. 97), принцип действия элементов которой также основан
на направленной ориентации
вектором намагниченности в
точках пересечения проволок
(линии чисел) с плоскими
шинами (линии слов).
На тонких магнитных
пленках выполняют также ло-
гические микросхемы, маг-
нитные усилители и др.
Широкие перспективы по-
строения разнообразных фун-
кциональных устройств от-
крывают магнитные полупро-
Рис. 97. Устройство плоской про-
волочной памяти
133
водники, которыми являются магнетики, представляющие
собой соединения магнитных и немагнитных материалов. Под-
вижные носители зарядов в магнетиках образуются так же, как
в полупроводниках. Свойствами магнитных полупроводников
обладают халькогениды европия, халькогенидные шпинели
хрома, сильно легированные ферриты (например, железоит-
триевый гранат, легированный кремнием,и др.).
В магнитных полупроводниках при температурах, мень-
ших температуры магнитного упорядочения 0 (точка Кюри),
появляется дополнительная по сравнению с обычными полу-
проводниками степень свобода! — магнитный порядок. Между
магнитным порядком и полупроводниковыми свойствами мате-
риала (электрическими и оптическими) существуют определен-
ные взаимосвязи взаимовлияния, которые и вызывают разно-
образные, характерные только для этих материалов эффекты.
Так, вследствие зависимости зонной структуры магнитных по-
лупроводников от напряженности магнитного поля при пони-
жении температуры до значений, меньших точки Кюри, шири-
на их запрещенной зоны может или уменьшаться, или увеличи-
ваться. Сопротивление магнитных полупроводников значитель-
но большее, чем обычных, достигает максимального значения
вблизи точки Кюри и обусловлено, прежде всего, зависимостью
намагниченности от внешнего магнитного поля. Это, в свою
очередь, оказывает влияние на оптические и электрические
свойства магнетиков. Кроме того, в некоторых магнитных полу-
проводниках под влиянием светового облучения изменяются
магнитная проницаемость и направления осей анизотропии,
в халькогенидах европия и других материалах с ростом кон-
центрации носителей повышается температура, соответствующая
точке Кюри, и изменяется намагниченность.
В настоящее время продолжается детальное исследование
различных свойств магнитных полупроводников. Известные
свойства магнетиков позволяют создавать монолитные СВЧ
микросхемы, а также устройства бесконтактного управления
и связи, аналогичные магнитным реле, датчики напряженности
магнитного поля и др.
Магнитные шпинели дают возможность выполнять запо-
минающие устройства, аналогичные запоминающим устройствам
на ферритовых сердечниках, а также элементы памяти, с по-
мощью которых параллельно с записью и считыванием можно
обрабатывать информацию.
§ 44. УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ГАННА
В 1963 г. американский физик Ганн обнаружил, что такие
сложные полупроводники, как арсенид галлия GaAs и фосфид
134
индия InP, обладающие электропроводностью л-типа, при при-
ложении постоянного напряжения, превышающего некоторое
критическое значение, генерируют высокочастотные колеба-
ния, частота которых зависит от длины образца и лежит в диапа-
зоне нескольких гигагерц. На основе этого эффекта были раз-
работаны СВЧ-генераторы, называемые генераторами Ганна,
значительно большей мощности, чем на биполярных или МОП-
транзисторах.
Генераторы Ганна выполняются на кристаллах в форме
квадратов со стороной 100 — 150 мкм, имеют мощность в
непрерывном режиме на частотах 1—25 ГГц порядка несколь-
ких милливатт и могут также работать в импульсном режиме,
обеспечивая импульсную мощность до нескольких сотен ватт.
Модификацией генераторов Ганна являются генераторы с огра-
ничением накопления объемного заряда (ОНОЗ). В режиме
ОНОЗ кристалл арсенида галлия включают последователь-
но колебательному контуру, обеспечивающему легкость пере-
стройки частот, и нагрузочному резистору. Переменное напря-
жение контура достаточно велико, чтобы во время отрицатель-
ной полуволны напряжение на кристалле становилось ниже
критического значения. При этом накопленный объемный
заряд рассасывается, так как по сравнению с периодом коле-
баний время его рассасывания в слабом поле мало (порядка
10“12 с). Поэтому в режиме ОНОЗ получают большую мощ-
ность на частотах до сотен гигагерц.
На основе эффекта Ганна выполняют также СВЧ-усили-
тели, рабочая точка которых находится на падающем участке
их вольт-амперной характеристики. Усиление по мощности
такого усилителя, например на частоте 25 — 30 ГГц, равно
60 - 70.
На основе эффекта Ганна могут также выполняться элемен-
ты логических схем, быстродействие которых весьма велико
Рис. 98. Электрическая схема
импульсного усилителя на эф-
фекте Ганна в триггерном
режиме
Рис. 99. Функциональный генера-
тор Ганна с частотой колебаний,
перестраиваемой напряжением
смещения
135
(1О“10 - Ю"11 с). Кроме того, на основе эффекта Ганна выпол-
няют импульсные усилители, работающие в триггерном режиме
(рис. 98). Напряжение источника питания £/ип должно быть
таким, чтобы искажение напряжения на выходе усилителя
t/0 = Ц] п ~ было меньше порогового напряжения Ut
возникновения объемных зарядов, но больше порогового на-
пряжения ил и их исчезновения. При подаче на вход усилителя
короткого импульса, амплитуда которого UH > Ut - Uo, а
длительность меньше времени пролета То носителей заряда
через усилитель, кристалл переключается в режим формирова-
ния объемных зарядов. При этом ток через усилитель и сопро-
тивление включенного последовательно ему резистора нагруз-
ки уменьшаются. В результате на выходе образуется импульс,
полярность которого противоположна полярности входного
импульса и имеет длительность, равную времени пролета То.
Такой усилитель выполняет логическую операцию сравнения
амплитуд импульсов U„ и Ut - Uo и, кроме того, может ис-
пользоваться как дискриминатор выходных импульсов по
ширине и амплитуде. При наличии дополнительного входа
(показан на рис. 98 пунктиром) усилитель можно исполь-
зовать в качестве двухвходовой логической схемы ИЛИ. В
этом случае усилитель переключается при подаче импульса на
один из входов. На основе эффекта Ганна могут быть также
созданы элементы памяти, схемы которых переводятся оди-
ночным включающим импульсом в режим самоподдерживаю-
щейся генерации, прекращающийся при подаче импульса проти-
воположной полярности.
Функциональные устройства, выполняемые па основе эффекта
Ганна, не имеют р-л-переходов и отдельных элементов и выполняют
свои функции только благодаря свойствам материала и форме кристал-
ла полупроводника. Так, используя кристаллы арсенида галлия различной
конфигурации, можно генерировать импульсы любой формы.
Так как в кристалле пирамидальной формы (рис. 99)
при сравнительно малых напряжениях электрическое поле
уменьшается от катода к аноду, объемные заряды распростра-
няются только в ту его часть, где Un п > Ua . С ростом напряже-
ния путь перемещения объемных зарядов увеличивается, а
следовательно, уменьшается частота колебаний. При дальнейшем
повышении напряжения объемные заряды достигают анода, после
чего частота колебаний практически перестает зависеть от на-
пряжения. Две формы кристаллов функциональных устройств,
основанных на эффекте Ганна, показаны на рис. 100, а, б. Сиг-
нал на выходе этих устройств воспроизводит профиль их попе-
речного сечения (выступ — рис. 100, а и впадину — рис. 100, б).
136
Рис. 100. Функциональные генера-
торы Ганна, воспроизводящие про-
филь поперечного сечения образца:
а - выступ, б - впадина
1
Рис. 101. Аналого-цифровой
преобразователь Ганна;
1 — анод,2 - полуизолирую-
щая подложка, 3 - катод
Одним из важных функциональных устройств, основанных
на эффекте Ганна, является аналого-цифровой преобразователь
АЦП планарной конструкции (рис. 101). Активный слой в фор-
ме клина с кодирующими прорезями выращивают на полуизо-
лирующей пластине 2 эпитаксией. При прохождении объемными
зарядами активного слоя от анода 1 к катоду 3 через кодирую-
щие прорези ток уменьшается, а количество впадин на выход-
ном импульсе, соответствующем кодирующим прорезям, с повы-
шением напряжения увеличивается. Это происходит потому,
что с ростом напряжения увеличивается частота генерации.
§ 45. КРИОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Устройства криоэлектроиики - это электронные приборы, работаю-
щие прн очень низких температурах н предназначенные для эффективного
преобразования различных электрических сигналов.
Принцип действия крио электро иных приборов основан
на процессах взаимодействия в твердых телах подвижных но-
сителей с электромагнитным полем при криогенных температу-
рах (сверхпроводимости металлов и сплавов; зависимости
диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от
напряженности электрического поля; появлении у металлов
полупроводниковых свойств при значительном росте подвиж-
ности носителей и др.).
Температуры, при которых наступает глубокое охлажде-
ние твердого тела, называют криогенными. Охлаждают крио-
электронные приборы в криостатах с жидким водородом или
гелием до температур примерно от 80 до 0 К.
В настоящее время разработан ряд криоэлектронных прибо-
ров, наиболее распространенными из которых являются крио-
137
троны, квантовые и параметрические усилители, фильтры,
линии задержки и др.
Криотроны представляют собой переключающие крио-
электронные приборы, рабочий элемент которых выполнен
из сверхпроводника, скачкообразно изменяющего свою элект-
рическую проводимость под действием критического магнит-
ного поля при криотронной температуре. Действие криотрона
аналогично действию реле, т. е. криотрон может находиться
только в одном из двух состояний, одно из которых характе-
ризуется сверхпроводимостью рабочего элемента, а другое —
его малой проводимостью.
Криотроны являются быстродействующими приборами:
время их перехода из одного состояния в другое — несколько
долей микросекунды. На криотронах создают криотронные
БИС, выполняющие логические функции, а также функции
запоминания с неразрушающим считыванием. Однако необ-
ходимость работы в условиях глубокого охлаждения и связан-
ные с этим технологические трудности резко ограничивают
применение криотронов.
Квантовые усилители предназначены для уси-
ления электрических сигналов. Принцип действия этих приборов
основан на эффекте вынужденного излучения возбужденных
атомов, молекул или ионов в результате изменения энергии
подвижных носителей. Этим они отличаются от ламповых уси-
лителей, в которых используются потоки свободных электро-
нов. Наиболее подходящими материалами для изготовления
квантовых усилителей являются рубин и рутил.
Параметрические усилители — это крио-
электронные приборы, рабочим элементом которых является
р-л-переход или контакт Шотки (металл—полупроводник).
Принцип действия параметрических усилителей основан на
изменении емкости в области контакта полупроводников
разной электропроводности или двух различных по свойствам
материалов. Наиболее эффективно такие усилители работают
при температуре ниже 90 К.
Криоэлектронные фильтры представляют
собой цепочку последовательно соединенных сверхпроводящих
резонаторов. Избирательность криоэлектронных фильтров в по-
лосе пропускания в 103 — 106 раз выше, чем RL- и АС-фильтров.
Криоэлектронные линии задержки выполняют-
ся в виде тонкого кабеля из сверхпроводника, свернутого в
спираль и помещенного в криостат. Время задержки опреде-
ляется длиной кабеля и составляет единицы или даже доли
миллисекунды. Для получения времени задержки до несколь-
ких наносекунд используют линии задержки в виде меандров
138
из тонких сверхпроводящих пленок, нанесенных на диэлек-
трические подложки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие устройства относят к функциональной электронике и
каковы их принципы действия и преимущества по сравнению с дру-
гими микроэлектронными устройствами?
2. Какие физические явления используются в устройствах функ-
циональной электроники?
3. Каков принцип действия функционального выпрямителя напря-
жения?
4. Как проявляется пьезоэлектрический эффект?
5. Каково устройство кварцевого генератора?
6. Какие функциональные устройства выполняют на тонких метал-
лических магнитных пленках?
7. Как проявляется эффект Ганна и какие функциональные устрой-
ства выполняют на его основе?
8. Какие устройства криоэлектроникн вызнаете, каковы нх принци-
пы действия и назначение?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемый читатель!
Изучив эту книгу, вы узнали об основных классах полу-
проводниковых и других приборов, применяемых при изго-
товлении современной электронной аппаратуры. Вы усвоили,
какие взаимосвязи существуют между характеристиками прибо-
ров и электрофизическими параметрами материалов, исполь-
зуемых для их изготовления. Это позволит вам понять и оценить
возможности технологии производства самых сложных
устройств вычислительной техники и автоматики, техники
связи и обработки информации.
В процессе обучения и последующей деятельности вы будете
встречаться с новыми, все более совершенными полупроводни-
ковыми приборами и интегральными микросхемами.
В настоящее время микроэлектроника находится на пороге
нового качественного скачка, связанного с освоением так
называемой субмикронной технологии, назначение которой
заключается в разработке элементов с линейными размерами
менее 1 мкм. Такая технология открывает совершенно новые
перспективы освоения сверхвысоких частот при минимально
потребляемой мощности. Поэтому вы должны углублять свои
знания, изучать новейшие публикации, следить за общим раз-
витием микроэлектроники.
В добрый путь!
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Г а р к у ш а Ж.М. Основы физики полупроводников. М., 1982.
Курносов А.И., Брук В.А. Основы полупроводниковой
микроэлектроники. М., 1980.
Крутикова М.Г., Ч а ры к о в Н.А., Юдин В.В. Полупро-
водниковые приборы и основы их проектирования. М., 1983.
Николаев И.М., Ф и л и н ю к Н.А. Микроэлектронные уст-
ройства и основы их проектирования. М., 1979.
Шило В.Л. Полупроводниковые цифровые микросхемы. М.,
1988.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................ 3
Глава первая. Основные свойства полупроводниковых
материалов и тонких пленок............................. 4
§ 1. Особенности полупроводников...................... 4
§2. Беспримесные и примесные полупроводники.......... 5
§3. Тонкие пленки................................... 12
§ 4. Свойства контактов.............................. 15
Глава вторая. Полупроводниковые диоды....................... 20
§5. Назначение, классификация и принцип действия... 20
§ 6. Выпрямительные диоды............................ 24
§7. Импульсные диоды................................ 26
§ 8. Диоды СВЧ....................................... 28
§ 9. Туннельные диоды................................ 29
Глава третья. Биполярные транзисторы........................ 32
§ 10. Назначение, классификация и принцип действия... 32
§11. Схемы включения.................................. 34
§ 12. Основные режимы работы........................... 37
§ 13. Усилительные и частотные свойства................ 39
§ 14. Транзисторы ВЧ и СВЧ............................. 41
Глава четвертая. Униполярные транзисторы................... 43
§ 15. Назначение, классификация и принцип действия.... 43
§ 16. Основные параметры и характеристики.............. 47
§ 17. Схемы включения.................................. 49
§ 18. Конструктивно-технологические особенности....... 53
Глава пятая. Оптоэлектронные приборы....................... 55
§ 19. Основные сведения................................ 55
§ 20. Светоизлучающие диоды............................ 57
§ 21. Фотоприсмпые диоды............................... 59
§ 22. Оптопары......................................... 60
Глава шестая. Конструктивно-технологические особен-
ности интегральных микросхем............................ 64
§ 23. Основные понятия и определения.................. 64
§ 24. Классификация ИМС............................... 69
§ 25. Полупроводниковые и гибридные И\{С.............. 76
§ 26. Способы изоляции элементов полупроводниковых
ИМС................................................... 80
§ 27. Резисторы ИМС................................... 82
§ 28. Конденсаторы ИМС................................ 85
§ 29. Диоды ИМС....................................... 86
§ 30. Биполярные транзисторы ИМС...................... 88
§ 31. МОП-транзисторы ИМС............................. 93
Глава седьмая. Цифровые интегральные микросхемы 95
§ 32. Основные логические функции....................... 95
§ 33. Схемы, реализующие основные логические функции 101
§ 34. Базовые логические схемы па МОП-транзисторах 106
142
§ 35. Триггеры ИМС................................... 109
§ 36. Элементы запоминающих устройств................ 115
Глава восьмая. Аналоговые интегральные микросхемы 119
§ 37. Основные сведения ............................. 119
§ 38. Дифференциальные усилители..................... 121
§ 39. Операционные усилители......................... 124
§ 40. Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразова-
тели ................................................ 126
Глава девятая. Функциональная электроника................. 129
§ 41. Основные сведения.............................. 129
§ 42. Акустоэлектронные устройства................... 130
§43. Магнетоэлектронные устройства................. 131
§44. Устройства на основе эффекта Ганна............. 134
§ 45. Криоэлектропиые устройства..................... 137
Заключение................................................ 140
Рекомендуемая литература.................................. 141
Учебное издание
Юрий Иванович Горбунов,
Иван Яковлевич Козырь
Технология полупроводниковых приборов
и изделий микроэлектроники
Книга 3
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Зав. редакцией С.В. Никитина. Редактор А.Ш. Долгова. Мл. редак-
торы Л.А. Васильева, Т.В. Шеганова. Художественный редактор
В.Г. Пасичник. Художник П.Б. Борисовский. Технический редак-
тор Л.М. Матюшина. Корректор С.К. Завьялова. Оператор Н.В.
Хазраткулова.
ИБ № 7865
Изд. №ЭГ-235. Сдано в набор 18.04.89. Подл, в печать 21.06.89.
Формат 84хЮ8/з2- Бум. ки-журн. Гарнитура Пресс-Роман. Печать
высокая. Объем 7,56 уел. печ. л. 7,77 усл. кр.-отт. 8,22 уч.-изд. л.
Тираж 30000 экз. Зак. № 475. Цена 20 коп.
Издательство "Высшая школа”, 101430, Москва, Истинная ул.,
Д. 29/14
Набрано на наборно-пишуших машинах издательства
Отпечано в Ярославском полиграфкомбинате Госкомпечати СССР,
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.