Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

вроде шпора

.docx
Скачиваний:
27
Добавлен:
06.06.2018
Размер:
997.03 Кб
Скачать

20

Основные понятия ИМС

ИМС – изделие микроэлектронной промышленности, выполняющее функцию преобразования и обработки информации и представляющее собой с точки зрения поставки, приемки и эксплуатации единое целое.

Кристалл – это часть п/п пластины в объеме и на поверхности которой сформированы все элементы. 1 кристалл – 1 ИМС.

Подложка/плата – основание из диэлектр или п/п материала на/в которой будет изготовлена ИМС.

Элементы ИМС – часть ИМС, выполняющая функции ЭРЭ и выполнена нераздельно от кристалла/платы.

Компонент ИМС – часть ИМС, выполняющая функции ЭРЭ и выполнена отдельно от кристалла/платы.

Классификация ИМС

По типу обработки информации:

· Аналоговые

· Цифровые

По степени интеграции:

· МИС (от 101 до 102)

· СИС (от 102 до 103)

· БИС (от 103 до 104)

, · СБИС (от 104 до 105)

· ГИМС (от 105 элементов)

По конструкционно-техническим особенностям:

· Пленочные (все в тонких пленках)

· Гибридные (пассивные элементы выполнены в виде тонких пленок, активные смонтированы на поверхности в виде навесных компонентов)

· П/п (все эелементы в объеме п/п, а межэлементные соединения на поверхности в виде тонких пленок)

· Совмещенные (актив – п/п, пассив и межэлементные на поверхности в виде тонких пленок)

По способу защиты от внешних воздействий:

· Корпусные

· Бескорпусные

Зонная теория твердых тел

Принцип Паули – на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов с разными спинами.

Если в системе содержится N атомов, то первоначальный энергетический уровень расщепляется на n различных подуровней, образующий энерг. зону, которая может содержать до 2n атомов.

Расстояние между подуровнями в каждой зоне меньше тепловой энергии электронов, поэтому электрон может легко переходить с подуровня на подуровень в котором может находиться 2n электрона. Каждая зона отделена от соседних запр. энерг. зонами. На более высоких энергетических уровнях при больших номерах уровней электрон связан слабее с ядром и может отходить от него дальше и, соответственно, ближе подходить к соседним атомам, и в большей степени оказывать на них влияние. Поэтому, внешние зоны будут более широкими, чем внутренние, и электроны не связаны с отдельными ядрами, а могут находиться везде внутри границ кристалла.

У металлов внешняя зона заполнена не полностью, в следствии чего под воздействием внешнего электрического тока электроны могут свободно перемещаться вдоль кристалла, таким образом формируя электропроводимость металла.

В диэлектриках и полупроводниках валентная зона заполнена полностью. При н. у. и при любой температуре от 0 по К, валентная зона занята не полностью, так как некоторое число электронов обладает тепловой энергией, достаточной, чтобы возбудиться и перейти через ЗП в ближайшую разрешенную. Электроны в верхней зоне могут реагировать на приложенное поле, создавая ток.

Когда электроны возбуждаются и переходят в ЗП, в ВЗ появляются незаполненные состояния. Если после этого прикладывать электр. поле, то расположенные поблизости электроны могут под его воздействием переходить в эти незанятые состояние, что создает ток. Выражение для тока может быть получено, если просуммировать движение электронов в валентной зоне. Так как в ВЗ много электронов и мало незанят. состояний, проводимость легче описать как результат взаимодействия электронов с незанятым состоянием, а не описывать движения всех электронов в ВЗ.

Так как в полностью заполненной зоне не может протекать ток, электронам не может быть передана энергия, то ток в ВЗ может быть записана как сумма с незаполненными состояния, таким образом можно описать движение заряда в ВЗ через поведение незанятых состояний.

Рассматривая эти состояния, ток как будто представляет собой частицы с дополнительными зарядами (дырками).

Для п/п характерно то, что количество электронов равно количеству дырок.

Собственный полупроводник- п/п, в котором нет примесей.

Модель электронных связей-подход, который позволяет рассматривать свойства свободных дырок и электронов с точки зрения поведения заполненных и разорванных электронных связей.

При обогащении кристалла кремния атомом мышьяка при Т>150 К можно считать, что примесный электрон надежно возбуждается в зону проводимости. Таким образом каждый донорный атом прибавляет +1 свободный электрон.

Если преобладают примеси донорного типа, то число электронов гораздо больше числа дырок в ВЗ и электроны в таком случае называют основными носителями зарядами. Чтобы сделать п/п проводник p-типа, нужно внедрить акцепторную (p-типа) примесь.

П/п, проводимость которых определяется легирующими атомами, наз. примесными.

Компенсация

Легированный кристалл любого типа можно компенсировать последующим добавлением примеси противоположного типа. Т. о. в легированном п/п эффективная конц. примесей будет определяться |Nd - Na| (донор – акцептор).

ЗАДАЧА

Известно, что кристалл Si (5x1022) в качестве лег. прим. содержит 10-4 атомных % арсенида. Затем, он равномерно легируется 3x1016см-3 фосфора и после этого равномерно легир. 1018 атомами бора. Найти тип проводимости Si и концентрацию осн. нос. заряда.

10-4 в % = 10-6

NAs = NSi * 10-6 = 5*1022 *10-6

Np = 3*1016

NB = 1

N(1018 – (3+5)*10-16)

N = 9,2*1017

Под pn-переходом понимается металур. контакт между двумя типами п/п с образованием потенциального барьера.

Степени легирования

n около 1014 - 1016

p около 1016 - 1019

n+ p+ > 1019 - 1021

n+ p+ > 1021+

Тепловое равновесие – это динамическое состояние, в котором каждый процесс уравновешивается процессом, действующим в обратном направлении. Например, при возбуждении электронов с уровнем энергии E1 на уровень энергии E2 будет иметь равенство потоков из E1 в E2 и из E2 в E­1.

Генерация носителей заряда – явление, при возбуждении электронов из валентной зоны в зону проводимости, в валентной зоне образуются дырки.

Рекомбинация – процесс, обратный генерации(электроны возбуждаются из зоны проводимости в валентную зону).

Скорость генерации G = f1(T) (от температуры)

Скорость рекомбинации R = n * p * f2(T)

n * p = f1(T) / f2(T) = f3(T)

В собственном проводнике => n = p = ni, ni2 = f3(T),

n * p = ni2закон действующих масс – увеличение количества электронов, вследствие введения доноров, приведёт к уменьшению дырок, чтобы соотношение n * p оставалось постоянным. И наоборот: при увеличении количества дырок уменьшается количество электронов.

Структура биполярного интегрального транзистора ТТЛ логики

Через пассивную ёмкость ток не протекает

1 – кремниевая подложка p-типа. Обеспечивает механическую прочность всей ИМС. Толщина 200 – 300 мкм.

2 – n+ скрытый слой

3-n-эпитаксиальный слой коллектора. Коллекторная область состоит из 2,3 и 7.

Биполярный транзистор представляет собой распределённую RC-цепочку, состоящая из сопротивлений эмиттера, ёмкости p-n-перехода база-эмиттер, сопротивления базы, ёмкости p-n-перехода база-коллектор и сопротивления коллекторах.

Граничная частота усиления транзистора обратно пропорциональна постоянной времени цепи заряда/разряда емкостей p-n-переходов.

f2 = 1 / (2 * π * τ); τ = R * C

C = (ε * ε0 * S) / d (Нет носителей заряда – значит у p-n-перехода есть ёмкость)

Для p-n-перехода коллектор-база постоянная времени цепи заряда/разряда СКБ определяется величиной ёмкости и сопротивлением областей базы и коллектора.

Введение n+ области 2 приводит к уменьшению сопротивлению коллектора, по которому заряжается и разряжается СКБ, т.е. ток заряда/разряда течёт не по n-коллектору, а по n+ скрытому слою, что позволяет увеличить граничную частоту. n+ область 2 в логических интегральных схемах позволяет повысить их быстродействие и ускорить переключение транзистора из одного режима в другой. Область коллектора n-типа 3 имеет невысокую концентрацию легирующей примеси, при этом объединённая область ОПЗ(область пространственного заряда(p-n-переход)) коллектор-база будет иметь достаточно высокую величину, а значит лавинный пробой этого p-n-перехода будет проходить при более высоких напряжениях.

4 – область p+ разделительной диффузии. Для обеспечения изоляции между элементами интегральной схемы, к этой области прикладывают самый низкий потенциал в схеме. Поскольку в карманах n-типа протекает ток и его потенциал выше потенциала земли, то изолирующий p-n-переход смещён в обратном направлении, что обеспечивает надёжную изоляцию элементов.

Для уменьшения тока утечки через изолирующий p-n-переход, область 4 легируют сильно, что приводит к увеличению числа основных дырок и уменьшению числа неосновных электронов, которые формируют ток утечки через изолирующую область.

5 – диффузионная область p-типа(база).

6 – n+ область эмиттера. Изготавливается сильно легированной, с целью повысить количество электронов, инжектируемых в базу, что приведёт к увеличению выходного тока коллектора и повышению коэффициента передачи по току.

7 – подконтактная область коллектора n+ типа. Вводится для предотвращения образования p-n-перехода Шоттки.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ P-N-ПЕРЕХОДА

  1. Коэффициент передачи ток h21. Сильно зависит от режима работы транзистора и напряжения коллектор-эмиттер.

  2. Граничная частота усиления fг = 1 / (2 * π *(τ1 + τ2 + τ3)

τ1 – постоянная времени цепи заряда/разряда p-n-перехода эмиттер-база

τ2 – время пролёта через базу

τ3 – постоянная времени цепи заряда/разряда p-n-перехода коллектор-база

  1. Ёмкость p-n-перехода эмиттер-база

  2. Пробивное напряжение p-n-перехода база-коллектор

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

График – профиль распределения примесей

Влияние глубины эмиттера на ток коллектора

Если увеличить глубину эмиттера => уменьшится концентрация акцепторов в эмиттере => уменьшится количество дырок в p-области => увеличиться количество дырок в n-области => увеличиться nк => увеличиться ток коллектора(при уменьшении напряжения база-эмиттер и постоянном токе коллектора => увеличиться h21 = UКЭ / UБЭ)

Вместе с увеличением глубины эмиттера => увеличиться площадь пассивной ёмкости => а вместе с ней и сама пассивная ёмкость

Вместе с уменьшением концентрации акцепторов в эмиттере => увеличиться ОПЗ => площадь активной ёмкости останется постоянной => уменьшится активная ёмкость

При заглублении эмиттера, концентрации примесей около p-n-перехода уменьшатся. При заглублении эмиттера на небольшие глубины, будет снижаться количество примесей около p-n-перехода, что приведёт к увеличению ширины ОПЗ, что приведёт к уменьшению активной ёмкости p-n-перехода. Но при значительном заглублении эмиттера увеличиться ёмкость за счёт пассивной её состовляющей.

Влияние ширины базы на электрические характеристики

Профиль распределения носителей заряда

В ОПЗ нет носителей заряда

Так как база диффузионная(создана при помои диффузии), то в ней концентрация акцепторов вблизи p-n-перехода эмиттер-база > концентрации акцепторов вблизи p-n-перехода коллектор-база. Это обстоятельство обуславливает наличие градиента дырок, в результате: концентрация акцепторов p-n-перехода коллектор-база > концентрации акцепторов в коллекторе => (ə * p) / (ə * x) ≠ 0

От ХЭБ к ХКБ будут диффундировать дырки, что приведёт к образованию вблизи p-n-перехода эмиттер-база отрицательного заряда ионов акцепторов, а вблизи p-n-перехода коллектор-база положительного заряда дырок. Дырки не могут перейти через p-n-переход коллектор-база, т.к. он смещён в обратном направлении. Таким образом, в базе образуется встроенное электрическое поле, которое является ускоряющим для электронов, инжектируемых из эмиттера в базу.

При уменьшении ширины базы(Wб) => увеличивается (ə * p) / (ə * x) => увеличивается поток дырок(Fp) => появляется встречная напряжённость(векторная, Eвстр) => увеличивается скорость электронов => увеличивается ток коллектора => увеличивается коэффициент усиления.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ

R = (ρ * l) / S

Если на стоке +, на затворе +, на истоке -, то сток-затвор закрыт

При увеличении положительного потенциала на затворе => увеличивается ОПЗ(d) => уменьшается площадь => увеличивается сопротивление

МДП ТРАНЗИСТОР С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ

При создании затвора при окислении пластины используют тонкий слой SiO2

Изоляция LOCOS – основана на локальном окислении

Базовые логические элементы ДТЛ- диодно-транзисторная логика

И-НЕ НЕ

ИЛИ-НЕ

ТТЛ- транзисторно-транзисторная логика И-НЕ ИЛИ-НЕ

В транзисторах Шоттке за счет наличия p-n перехода Шоттке, который будет открываться при U<Uоткрытия p-n перехода КБ, будет создаваться канал, по которому основные дырки будут уходить из базы, что позволит быстрее перезарядить емкость К-Б и перевести транзистор в режим насыщения, что увеличивает быстродействие схемотехники. P-n переход Шоттке образуется на месте контакта металл- полупроводник n-типа за счет разницы работ выхода электронов из металла и полупроводника.

Переходная характеристика

Инвертор является базовым элементом для МОП схемотехники

В контур карты Карно может входить 2н клеток. Чтобы записать значение контура он проходится по горизонтали и по вертикали, и в его значение вписываются переменные, не меняющие свое значение. Цель минимизации- захватить все единицы меньшим числом контуров.

Преобразователь кодов- это устройство, которое преобразует последовательность входного кода в последовательность какого-либо другого выходного кода.

Семисегментный индикатор

Виды: *светодиодные: с общим котодом, с общим анодом.

Эмиттерно-связанная логика Микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) являются самыми быстродействующими из всех типов логик, и обеспечивается это за счет целого ряда особенностей этой логики.

Главная особенность эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), повышающая ее быстродействие, заключается в том, что схема ее логического элемента основана на дифференциальном усилителе (балансном каскаде), дифференциальном переключателе тока, два транзистора которого переключают ток и не попадают в режим насыщения. Благодаря этому значительно сокращается время выхода транзисторов логического элемента из открытого состояния и существенно повышается общее быстродействие.

На рис. ниже приведена принципиальная схема базового логического элемента ЭСЛ, выполняющий функцию ИЛИ-НЕ. На транзисторах VT1,VT2 и VT3 выполнен токовый переключатель, обеспечивающий получение логических функций ИЛИ-НЕ на коллекторе VT2 и ИЛИ на коллекторе VT3. В качестве источника тока в эмитторной цепи транзисторов VT1VT2 и VT3 используется высокоомный резистор R5. Величина тока, задаваемая этим источником, и сопротивления резисторов R3 и R4 подбираются такими, чтобы исключить режим насыщения транзисторов в открытом состоянии независимо от разброса усиления этих транзисторов, что невозможно обеспечить в обычных ТТЛ сериях (а также в рассматриваемых ниже элементах на КМОП транзисторах).

На транзисторе VT4 и диодах VD1 и VD2 выполнен источник опорного напряжения. Это напряжение, уровень которого находится примерно посередине между уровнями, соответствующими логическим 0 и 1, подается на базу транзистора VT3. Поэтому транзистор VT3 будет закрыт, если хотя бы на один из входов подано

Рис. Схема элемента ИЛИ-НЕ эмиттерно-связанной логики

напряжение более высокого уровня (лог. 1) и открыт, если на всех входах имеется напряжение низкого уровня (лог. 0). Логическая информация с коллекторов VT2 и VT3 с целью увеличения нагрузочной способности логического элемента поступает на базы выходных эмиттерных повторителей, выполненных на транзисторах VT5 и VT6. Эмиттерные повторители также осуществляют смещения уровней выходных напряжений для совместимости логических элементов этой серии по входу и выходу.

Мультиплексор – это комплексное комбинационное логическое устройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой шифр поступающим по нескольким входам на один выход.

Комбинация ЛЭ в мультиплексоре УГО для микроконтроллера

Уравнение для мультиплексора: Y = X1A + X2A’

Демультиплексоры – комплексное логическое устройство, в котором сигналы с одного информационного входа, поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах.

Y1 = X · А Y2 = X · А

Компараторы – это устройства предназначенные для сравнения изменений для аналогово сигнала с опорным напряжением, при этом в зависимости от того больше в зависимости от того больше входной сигнал опорного напряжения или меньше , на выходе компаратора должно установиться логический нуль или еденица.

Характеристики компараторов Процессы переключения компараторов.

схема компаратора на операционном усилителе с положительной обратной связью.

Триггер – это электрическое устройство которое переназначено для записи и хранения информации.

Асинхронный RS триггер. Синхронный RS триггер

JK триггер

D триггер

D

Qt

Qt+1

0

0

0

0

1

0

1

0

1

1

1

1

T триггер

Т

Qt

Qt+1

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Регистры

Регистрами называются последовательностные цифровые устройства, выполняющие функции приема, хранения и передачи информации.

Информация в регистре хранится в виде двоичного кода, т.е. представлена комбинацией сигналов логического нуля и логической единицы. Каждому разряду кода, записанному в регистр, соответствует свой разряд регистра, как правило, на основе триггеров RS-, D- или JK-типа.

Типичными в регистрах являются следующие операции:

  • приём слова в регистр (установка состояния);

  • передача слова из регистра;

  • сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов в сдвиговых регистрах;

  • преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно;

  • установка регистра в начальное состояние (сброс).

Регистры классифицируются по следующим видам:

    • накопительные (регистры памяти, хранения);

    • сдвигающие или сдвиговые.

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

По способу ввода-вывода информации:

    • параллельные: запись и считывание информации происходит одновременно на все входы и со всех выходов;

    • последовательные: запись и считывание информации происходит в первом триггере, а та информация, которая была в этом триггере, перезаписывается в следующий — то же самое происходит и с остальными триггерами;

    • последовательно-параллельные ;

По направлению передачи информации:

    • однонаправленные;

    • реверсивные.

Параллельные регистры

Параллельный регистр используется для кратковременного хранения чисел, представленных в параллельном двоичном коде. Поэтому параллельные регистры называются еще регистрами памяти. Каждый триггер служит для хранения одного разряда числа, значит, для хранения m-разрядного двоичного числа необходимо иметь m RS-триггеров. Для записи единицы необходимо подавать единицу на вход S и нуль на вход R, а для записи нуля – наоборот – единицу на вход R и нуль на вход S, т.е. информация должна поступать на оба входа RS-триггера. Полученный регистр будет парафазным, причем вход S — прямой, а вход R — инверсный. Для синхронной записи во все триггеры одновременно, их тактовые входы необходимо объединить в одну шину

Последовательные регистры

Последовательный регистр предназначен для кратковременного хранения информации, но, в отличие от параллельного регистра, в нем осуществляется логическая операция сдвига кода хранимого числа на любое количество разрядов. Ввод информации в последовательный регистр осуществляется по одному последовательному каналу V. Сдвиг кода числа происходит с помощью синхронизирующих импульсов С, в результате подачи которых осуществляется сдвиг всех разрядов кода числа со входа к выходу или наоборот. Как и в случае параллельных регистров, последовательный регистр может быть синтезирован на базе триггеров RS-типа (JK-типа), но наиболее удобным для этих целей является использование D-триггеров.

 

Информация с первым тактирующим импульсом с входа V передается на выход первого и вход второго триггеров. С приходом второго тактирующего импульса информация из первого триггера перепишется на выход второго триггера. На выход первого триггера запишется новое значение с входа V. Таким образом, будет осуществляться сдвиг исходного кода вправо. Отсюда последовательные регистры называются еще регистрами сдвига. Информация выводится из триггера по одному выходу Q.

Параллельно-последовательные регистры

Как и в последовательном регистре, ввод информации в последовательном коде осуществляется по входу V. Для тактирования сдвига синхровходы всех триггеров объединены. При этом, для возможности введения кода числа в параллельном виде используются элементы И-НЕ ЛЭ1i и ЛЭ2i в своих разрядах. Элемент ЛЭ1i осуществляет функцию стробирования и инвертирования разряда D’i при единичном уровне управляющего сигнала «параллельная запись». В результате на вход S установки в единицу триггера Тi проходит инверсное значение разряда параллельного кода числа только в том случае, если сигнал разрешения на линии «параллельная запись» имеет единичное значение.

Если выход последнего триггера соединить с входом первого, то получится кольцевой регистр сдвига. Записанная в его разряды информация под воздействием сдвигающих импульсов будет циркулировать по замкнутому кольцу. Кольцевой регистр иначе называется кольцевым счетчиком. Его коэффициент пересчета равен числу разрядов n последовательного кода. Единица, записанная в один из разрядов, периодически будет появляется в нем после того, как будут поданы n сдвигающих импульсов. В условном графическом обозначении функция регистра задается символами «RG», а в маркировке микросхем – символами «ИР».