7.4. Обработка результатов и расчет параметров

1. По данным табл. 7.1 составить таблицу истинности исследуемой микросхемы, отражающую ее функционирование. Для этого высокие потенциальные уровни заменить логической единицей, а низкие – логическим нулем.

2. Построить графики входной и прямой передаточной характеристик полупроводниковой микросхемы. Пользуясь передаточной характеристикой, определить размах логического сигнала .

3. Рассчитать среднюю мощность, потребляемую микросхемой, по формуле

,

где U_и. п – напряжение источника питания микросхемы; и – токи, потребляемые микросхемой в выключенном и включенном состояниях.

4. Приведенную на рис. 7.2 топологию полупроводниковой ИМС перерисовать в виде цветного эскиза (разными цветами изобразить активные элементы, резисторы, пленочные проводники и контактные площадки). На эскизе отметить все элементы ИМС в соответствии с рис. 7.1, а. Обозначить контакты к областям эмиттера, базы и коллектора интегральных транзисторов, а также аноды и катоды диодных структур. Указать номера выводов ИМС.

5. По данным, полученным при изучении конструкции гибридной ИМС (табл. 7.3), рассчитать степень интеграции микросхемы (k) и плотность упаковки элементов (N). Степень интеграции определяется числом элементов микросхемы. При n < 10 степень интеграции k = 1, при 10 < n < 100 k = 2, при 100 < n < 1000 k = 3. Плотность упаковки элементов определяется числом элементов микросхемы на 1 см² поверхности.

6. Рассчитать удельное поверхностное сопротивление резистивного слоя для каждого исследованного в 7.3.4 пленочного резистора. Сопротивление резистивного слоя

,

где  – удельное объемное сопротивление слоя; l, d, b – длина, толщина, ширина слоя соответственно. Удельное сопротивление слоя толщиной d (сопротивление квадрата пленки) вводится как . Тогда , где – коэффициент формы. Отсюда .

7.5. Контрольные вопросы

1. Что такое аналоговая и что такое цифровая ИМС? В чем заключается принципиальная разница между ними?

2. Объясните принцип действия исследованной полупроводниковой логической схемы.

3. Объясните зависимости входного тока и выходного напряжения ИМС, полученные в работе.

4. Перечислите основные технологические приемы, используемые в производстве полупроводниковых интегральных микросхем. Объясните назначение отдельных операций.

5. Каким образом изолируют отдельные элементы в полупроводниковых интегральных микросхемах?

6. Изобразите сечение монокристалла полупроводниковой ИМС в месте расположения биполярного интегрального транзистора.

7. В чем преимущества гибридных ИМС перед полупроводниковыми? В чем недостатки?

8. Почему в гибридных ИМС появляется необходимость использования навесных компонентов?

Лабораторная работа 8 исследование полупроводниковых источников излучения

8.1. Основные понятия и определения

Полупроводниковый источник излучения – это оптоэлектронный прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Среди источников излучения важное место занимают светоизлучающие диоды и инжекционные лазеры.

Светоизлучающие диоды (СИД) являются источниками некогерентного излучения. Их люминесцентные свойства обусловлены спонтанной излучательной рекомбинацией неравновесных носителей заряда при прохождении прямого тока через выпрямляющий электрический переход (p‑n‑переход, гетеропереход). В СИД на основе полупроводников с прямой структурой энергетических зон преобладает межзонная рекомбинация, когда электроны зоны проводимости переходят на свободные уровни валентной зоны. В светодиодах, выполненных на основе непрямозонных полупроводников, основной вклад в излучение дают переходы с участием примесных центров.

Длина волны излучения СИД определяется расстоянием между энергетическими уровнями, участвующими в рекомбинации. В случае межзонных переходов максимум испускания приблизительно соответствует ширине запрещенной зоны полупроводника. Поскольку переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит между группами близко расположенных уровней, то излучение СИД не является монохроматичным. Зависимость интенсивности излучения светодиода (чаще в относительных единицах) от длины волны или энергии фотона называется спектральной характеристикой. Одной из основных величин для светодиодов является полуширина спектральной характеристики, измеряемая на высоте 0,5 от максимума.

Другим важнейшим параметром СИД видимого диапазона является яркость излучения. Различают яркость энергетическую (измеряемую приборами) и фотометрическую, характеризующую воздействие излучения на глаз человека. Единицей фотометрической яркости в СИ служит кандела на квадратный метр [кд/м²] – яркость источника излучения, каждый квадратный метр излучающей поверхности которого имеет в данном направлении силу света, равную одной канделе. Яркостная характеристика – это зависимость яркости или интенсивности излучения от проходящего через прибор прямого тока. Характеристика линейна, если приняты меры для уменьшения безызлучательной рекомбинации, при которой избыточная энергия выделяется в виде квантов тепловой энергии – фононов.

Инжекционный лазер (ИЛ) – это полупроводниковый излучающий прибор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию когерентного (самосогласованного) излучения. Как и в СИД, в ИЛ излучение возникает в результате рекомбинации носителей заряда (обычно межзонной), однако важнейшим отличием лазеров является вынужденный характер оптических переходов. Такие переходы становятся определяющими только при достижении в среде сильно неравновесного состояния – инверсии населенностей, когда населенность верхних энергетических уровней становится больше, чем населенность нижних. Эта ситуация возможна только при возбуждении системы извне (накачке). Накачка ИЛ осуществляется электрическим током за счет инжекции носителей заряда при прямом включении p‑n‑перехода (обычно гетероперехода). Интенсивность накачки лазера определяется силой пропускаемого через него прямого тока.

Структура полупроводникового кристалла инжекционного лазера во многом похожа на устройство СИД. Однако светодиодная структура даже при очень большой интенсивности накачки сможет работать только в качестве усилителя электромагнитного излучения. Чтобы превратить лазер в генератор когерентного излучения, в нем необходимо реализовать положительную обратную связь. Для этого в ИЛ используется резонатор, обычно создаваемый путем скола граней лазерной структуры по кристаллографическим плоскостям. Часть фотонов будет отражаться от зеркал резонатора и вынуждать появление в лазере новых оптических переходов.

Инверсия населенностей является необходимым, но не достаточным условием возникновения когерентного лазерного излучения. Кроме этого требуется достичь превышения усиления над всеми потерями, существующими в ИЛ. Эти условия выполняются при некотором пороговом значении силы тока накачки I_пор, определяемом свойствами структуры и конструкцией прибора. При токе, меньшем I_пор, излучение лазера не является когерентным, и его характеристики напоминают излучение СИД, поэтому такой режим называется светодиодным. В этом случае спектр лазера достаточно широк, а пиковая мощность испускания относительно невысока. При превышении порогового значения тока ИЛ переходит в лазерный режим. Происходит резкое сужение спектральной характеристики, возрастает интенсивность, а излучение приобретает высокую степень когерентности, монохроматичности и направленности.

Яркостная характеристика ИЛ представляет собой почти линейные зависимости в диапазоне токов, соответствующих преобладанию самопроизвольной рекомбинации (режим работы светоизлучающего диода), а также вынужденной рекомбинации (режим работы лазера). В настоящей работе исследуются спектральные и яркостные характеристики СИД и ИЛ с гетеропереходами на основе твердых растворов соединений А³В⁵.