.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Потенциальный барьер при  переходе

 Выше говорилось о существовании в кристаллах не основных носителей заряда. Под действием напряженности  не основные носители начнут дрейфовать навстречу диффундирующим зарядам, возникает дрейфовый ток, направленный навстречу току диффузии. Динамическое равновесие наступит при равенстве диффузионного и дрейфового токов, при этом слой  l будет сильно обеднен свободными носителями заряда, хотя и не лишен их полностью. По мере приближения к плоскости раздела кристаллов обеднение слоя l носителями зарядов будет все более выраженным.

Ширина обедненного слоя связана с контактной разностью потенциалов, которая в свою очередь, зависит от выбора материалов и концентрации примесей. Чем выше контактная разность потенциалов , тем шире обедненный слой l (рис. 12.9а). У германия и кремния контактная разность потенциалов составляет десятые доли вольта, а ширина обедненного слоя – десятые и сотые доли микрометра. 

Контактная разность потенциалов придает  – переходу свойство односторонней проводимости, которое находит широчайшее применение в современной технике.

Обозначим через  собственную контактную разность потенциалов обедненного слоя. Если к  – переходу подключить источник напряжения U, то разность потенциалов на границах контактного слоя кристаллов n – и p – типов изменится. Включение   – перехода в электрическую цепь, когда плюс источника подсоединен к области p, а минус – к области n, называется прямым. Разность потенциалов контактного слоя в этом случае обозначим . Включение, при котором к области p подсоединен минус источника, а к области n – плюс, называется обратным. Соответствующую разность потенциалов обозначим .

Имея ввиду, что сопротивление кристаллов невелико и все приложенное напряжение практически падает на обедненном слое, можно записать

  U;  = + U.

Таким образом, при прямом включении  – перехода разность потенциалов на границах обедненного слоя (потенциальный барьер) уменьшается (рис 12.9б), а при обратном включении увеличивается.

Уменьшение потенциального барьера приводит к возрастанию диффузионного тока и уменьшению встречного дрейфового тока. Результирующий ток, его называют прямым, совпадает с диффузионным током.

  

 Рис 12.9

Увеличение потенциального барьера приводит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрейфового. Результирующий ток  –перехода и всей замкнутой цепи совпадает с дрейфовым током. Этот ток называют обратным.

 Напомним, что диффузионный ток создается основными носителями зарядов, а дрейфовый – неосновными. Поскольку концентрация основных носителей на несколько порядков выше концентрации неосновных, прямой ток в сотни и тысячи раз превышает обратный.

Таким образом,  – перехода, включенный в прямом направлении, пропускает электрический ток, а включенный в обратном – не пропускает.

Чтобы уменьшить обратный ток, надо уменьшить количество неосновных носителей заряда. Это достигается уменьшением посторонних (нелигирующих) примесей и улучшением структуры кристалла (уменьшением числа дефектов кристаллической решетки).

12.3.3. Вольт–амперная характеристика  перехода

Вольтамперная характеристика  перехода описывается следующим уравнением:

 , (12.21)

где  температурная разность потенциалов, т.е. температурное напряжение,  обратный ток насыщения, который при больших обратных смещениях не зависит от величины приложенного обратного напряжения.

  Тепловой ток образуется не основными носителями, которые генерируются в прилегающих к пространственному заряду объемах полупроводника, с толщиной порядка диффузионной длины L, приходят в область действия пространственного заряда и, подхватываясь его полем, переносятся беспрепятственно в соседнюю область. Если  – область легирована значительно сильнее, чем n – область, то обратный ток является в основном дырочным.

 Обратный ток насыщения очень сильно зависит от температуры и удельного сопротивления материала, на основе которого изготовлен переход. Концентрация   пропорциональна . Так как величина   в кремнии значительно меньше, чем в германии, то ток насыщения перехода, изготовленного на основе кремния, теоретически на 5–6 порядков меньше, чем ток насыщения германиевого перехода.

График вольт–амперной характеристики идеализированного  перехода в относительных единицах приведен на рисунке 12.10а. Из соотношения (12.21) следует, что при U > 0 ток через переход возрастает, при U < 0 – убывает. Таким образом величина и направление тока, протекающая через  переход, зависят от величины и знака приложенного к переходу напряжения. В соответствии с этим электрическое сопротивление перехода в одном направлении может быть значительно больше, чем в другом. Следовательно,   переход обладает выпрямляющим действием (односторонней проводимостью), что позволяет использовать его в качестве выпрямителя переменного тока. Формула (12.21) согласуется с экспериментом.

 


Рис. 12.10

Начиная с некоторого значения обратного (запирающего) напряжения обратный ток реального  перехода быстро увеличивается. Если этот ток не ограничивать, то возникает пробой перехода. Выпрямляющие свойства перехода при пробое нарушается. Под пробоем  перехода понимается явления резкого увеличения обратного тока перехода при достижении обратным напряжением определенного критического значения. При больших обратных напряжениях вольт–амперная характеристика перехода имеет вид одной из кривых, показанных на рисунке 12.10б.

Цели и задачи изучения дисциплины

Изучеие дисциплины имеет целью освоение понятий и накопление знаний в области конструирования микросхем, а также развития навыков выполнения комплекса инженерных работ конструкторского проектирования микросхем и микросборок.

 В проектировании микросхем, как уже отмечалось, пересекается множество областей знания, одной из которых является конструирование изделий. Конструирование в содержательном плане принято определять как творческий процесс выявления свойств материалов через форму и размеры проектируемого объекта. Для таких объектов, как микросхемы, конструктор должен уметь:

формулировать требования на проектирование ИМС и ее элементов;

выбирать материалы для проектируемых конструкций и соответствующие технологические процессы производства;

выбирать формы и размеры элементов с учетом требований к параметрам и ограничений технологии производства;

синтезировать композиции элементов, размещать и соединять их в соответствии с электрическими схемами;

выбирать способы и проектировать защиту кристаллов и плат от дестабилизирующих воздействий;

оценивать показатели качества ИМС;

планировать и выполнять работы формального проектирования по подготовке проектной документации на ИМС с применением перспективных компьютерных технологий.

Перечисленные направления деятельности конструктора в основном определяют круг задач его теоретической и практической подготовки в процессе изучения дисциплины. Этим задачам посвящены методические материалы по дисциплине, включая настоящее пособие.

1.6 Этапы проектирования микросхем

Микроэлектронный подход к проектированию и производству электронной техники позволяет сократить число объектов состава, снижать затраты по производству и эксплуатации, повышать надежность, улучшать функциональные показатели аппаратуры. Вследствие этого, направление проектирования и производства ИМС продолжает развиваться.

Опыт организации проектирования и производства изделий точного машиностроения, и ИМС в частности, позволил выработать типовые подходы, которые нашли отражение в нормативных актах:

производственных предприятий;

ведомств и отраслей;

государственного уровня.

Важность применения типовых подходов в подготовке и согласовании заданий на проектирование новых микросхем, соблюдения определенной последовательности выполнения работ по проектированию, запуску новых изделий на производство подчеркивается государственным уровнем стандартов в этой сфере.

Требования к составу и изложению технического задания на проектирование нового изделия установлены ГОСТ 15001. Стандартом ГОСТ 2103 установлены следующие стадии разработки проектной документации:

техническое предложение (П);

эскизный проект (Э);

технический проект (Т).

Последующие стадии относятся к опытно-конструкторским работам, результатом которых является производство опытных образцов, мелких серий, серийного и массового производства с выпуском соответствующей рабочей документации.

 Состав работ и отношения участников проекта на стадии «техническое предложение» регламентируются ГОСТ 2118. Аналогично на стадиях «эскизного и технического проектов» состав работ и отношения участников регламентируются стандартами ГОСТ 2119 и ГОСТ 2120 соответственно.

Стадиями подготовки рабочей документации являются:

опытно-конструкторские работы (О);

стадия подготовки документации серийного производства (А);

стадия подготовки документации массового производства (Б).

Символические обозначения стадий (П,Э,Т,О,А,Б) в документах соответствующего проекта проставляются как литерная характеристика стадии.


На главную