Электронны, квантовые приборы и микроэлектроника

Электронны, квантовые приборы и микроэлектроника

КАЗАХСКО-АМЕРИКАНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРОННЫЕ, КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Программа, методическое указание и контрольные задания (для студентов

заочной формы обучения специальности 3805 – Радиосвязь, радиовещание и

телевидение)

Алма-Ата 2001

Введение

Электронные, квантовые приборы и микроэлектронные изделия являются

основой практически всех радиоэлектронных и коммуникационных устройств и

систем.

Задачей дисциплины “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника”

является подготовка студентов к решению задач, связанных с рациональным

выбором элементной базы при разработке радиоэлектронной и коммуникационной

аппаратуры, квалифицированной эксплуатации микроэлектронной аппаратуры, а

также приобретение навыков работы и знаний по работе с электронными

приборами и микроэлектронными изделиями.

Дисциплина “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника”

базируется на соответствующих разделах курсов математики, физики, теории

электрических цепей.

Программа

курса “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника”

Введение

Классификация электронных, квантовых приборов и изделий

микроэлектроники. Краткий исторический очерк развития электронной и

микроэлектронной техники. Значение курса, как одного из базовых, для

радиоэлектронных и коммуникационных специальностей.

Раздел 1. Полупроводниковые приборы

1 Электропроводность полупроводников.

Основные понятия зонной теории. Уровень Ферми для собственного и

примесного полупроводников.

Концентрация подвижных носителей зарядов. Генерация, рекомбинация,

время жизни носителей. Диффузионное и дрейфовое движения носителей,

диффузионный и дрейфовый токи, уравнения диффузии и непрерывности.

2 Физические процессы в электронно-дырочных переходах и контактах.

Электронно-дырочный (p-n) переход в состоянии равновесия. Способы

получения переходов. Энергетическая и потенциальная диаграммы, высота

потенциального барьера, движение носителей, распределение зарядов и

напряженности электрического поля в обедненном слое, ширина перехода.

Прямое и обратное включение p-n перехода. Инжекция и экстракция

неосновных носителей, прямой и обратный токи.

Вольтамперная характеристика идеализированного электронно-дырочного

перехода, влияние на нее температуры, концентрации примесей, генерации и

рекомбинации носителей в области перехода. Вольтамперная характеристика

реального электронно-дырочного перехода. Влияние сопротивлений областей при

прямом включении. Пробой перехода. Тепловой, лавинный и туннельный пробои

при обратном включении, влияние концентрации примесей.

Контакт металл-полупроводник при различных соотношениях работ выхода,

контакт с барьером Шотки. Контакт полупроводников с различной шириной

запрещенной зоны (гетеропереходы). Энергетические диаграммы контакта металл-

полупроводник в состоянии равновесия. Вольтамперные характеристики

переходов с барьером Шотки и гетеропереходов.

Статическое и дифференциальное сопротивления электронно-дырочного

перехода. Барьерная и диффузионная емкости.

Принципы построения основных полупроводниковых приборов. Классификация

полупроводниковых приборов по типу структуры. Приборы, основанные на

различных объемных эффектах. Приборы с электронно-дырочными переходами.

Приборы, основанные на контактах металл-полупроводник и металл-диэлектрик-

полупроводник.

3 Полупроводниковые диоды

Классификация. Выпрямительные и детекторные диоды: назначение,

устройство, основные параметры, влияние температуры. Стабилитроны,

вольтамперная характеристика, параметры, назначение. Варикапы, варакторы,

параметрические диоды: назначение, основные параметры. Импульсные диоды:

назначение, параметры. Диоды с барьером Шотки, параметры, сравнение с

обычными диодами, применения. Туннельные диоды, особенности устройства,

вольтамперная характеристика, параметры, применения. Диоды со структурой p-

i-n типа, принцип работы, параметры, применение.

4 Биполярные транзисторы

Устройство и принцип действия транзистора, назначение и способы

изготовления. Схемы включения: с общей базой, общим эмиттером и общим

коллектором. Режимы работы: активный, отсечки, насыщения, инверсный.

Работа транзистора в активном режиме. Потенциальная диаграмма. Инжекция

неосновных носителей в эмиттерном переходе, движения носителей в базовой

области, экстракция неосновных носителей в коллекторном переходе.

Коэффициенты инжекции и передачи тока эмиттера. Связь между токами

электродов. Распределение концентрации неосновных носителей в базе

транзистора при различных включениях переходов.

Статические характеристики биполярных транзисторов в схемах с общей

базой и общим эмиттером (входные, выходные, прямой передачи, обратной

связи).

Эквивалентные схемы и параметры биполярных транзисторов. Физические

параметры: коэффициенты передачи токов эмиттера и базы; дифференциальные

сопротивления, барьерная и диффузионная емкости эмиттерного и коллекторного

переходов; объемные сопротивления областей транзистора. Модель Эберса-

Молла. Малосигнальные эквивалентные схемы: Т-образная и П-образная

эквивалентные схемы. Транзистор как линейный четырехполюсник, системы его

дифференциальных параметров и соответствующие эквивалентные схемы. Связь h-

параметров с физическими параметрами.

Определение h-параметров по статистическим характеристикам.

Частотные свойства биполярных транзисторов. Граничные частоты.

Предельные частоты коэффициентов передачи по току и мощности. Методы

улучшения частотных свойств. Дрейфовые транзисторы. Особенности устройства

высокочастотных и сверхвысокочастотных транзисторов.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов. Импульсные транзисторы.

Предельно-допустимые эксплутационные параметры. Тепловые и

электрические параметры. Механические и климатические воздействия. Влияние

излучении на работу транзистора. Долговечность и экономичность.

Разброс параметров и характеристик, взаимозаменяемость транзистора.

5 Полевые транзисторы

Устройство и принцип действия. Классификация полевых транзисторов,

технологические и конструктивные особенности. Полевые транзисторы с

управляющим электронно-дырочным переходом и с изолированным затвором:

режимы работы с обогащением и обеднением канала. Схемы включения с общим

истоком, общим затвором и общим стоком. Статистические характеристики,

триодная и пентодная области характеристик. Дифференциальные параметры:

крутизна, внутреннее сопротивления и статический коэффициент усиления.

Емкости. Эквивалентная схема. Частотные свойства. Области применения

полевых транзисторов.

6 Различные полупроводниковые приборы

Тиристоры, устройства, классификация. Диодный тиристор, принцип работы,

вольтамперная характеристика, статистические и импульсные параметры.

Триодный тиристор, семейство вольтамперных характеристик, статические и

импульсные параметры. Применение тиристоров.

Теплоэлектрические полупроводниковые приборы: термистор, болометр и

термоэлемент: устройство, параметры, применение. Полупроводниковые

резисторы и варисторы. Датчики Холла.

Шумы и шумовые параметры полупроводниковых приборов.

Раздел II. Оптоэлектронные и квантовые приборы

Оптоэлектронные и квантовые приборы.

Светоизлучатели и фотоприемники.

Фотоприемники. Фотопроводимость полупроводников. Фоторезистор,

фотодиод, фототранзистор, фототиристор: устройство. принцип работы,

характеристики, параметры, применение.

Светоизлучатели: лазеры и светодиоды. Устройство, принцип применения,

параметры и характеристики светодиода.

Полупроводниковые лазеры. Принцип действия, параметры и характеристики.

Достоинства полупроводниковых лазеров.

Оптроны: устройство, принцип работы, параметры, характеристики,

разновидности и применение.

Индикаторы: жидкокристаллические, полупроводниковые и газоразрядные.

Применение.

Раздел III. Микроэлектроника

1 Технологические основы микроэлектроники

Комплексная микроминиатюризация. Основная задача микроэлектроники.

Классификация изделий микроэлектроники.

Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых

интегральных микросхем (ИМС) (эпитаксия, термическое окисление, диффузия,

ионное легирование, фотолитография, металлизация).

Диоды полупроводниковых ИМС. Диодное включение транзисторов.

Многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, транзисторы с

барьером Шотки. Горизонтальные и вертикальные р-n-р транзисторы и

супербета-транзисторы.

МДП с одним типом кандалов (n-МДП, p-МДП) и с двумя типами каналов

(комплементарные КМДП). Особенности этих схем.

Параметры и характеристики пассивных элементов полупроводниковых ИМС

(диффузионных и ионно-легированных резисторов, диффузионных и МДП

конденсаторов) и отличие их от соответствующих параметров и характеристик

дискретных резисторов и конденсаторов.

Температурные коэффициенты сопротивлений и емкостей пассивных элементов

полупроводниковых ИМС, их основные отличия от дискретных пассивных

компонентов.

Способы изоляции между компонентами ИМС и их особенности.

Способ изоляции элементов в полупроводниковых ИМС, выполненных на

основе биполярных структур и последовательность технологических операций

при их изготовлении.

Гибридные интегральные микросхемы (микросборки). Особенности

толстопленочных и тонкопленочных ИМС, а также параметры и характеристики их

пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей).

Основные этапы сборки и типы корпусов для полупроводниковых и гибридных

ИМС.

2 Аналоговые микросхемы.

Операционный усилитель (ОУ). Выполнение аналоговых функций (усиление,

сравнение, ограничение, частотная фильтрация, суммирование,

интегрирование, дифференцирование и др.).

Три каскада интегральных ОУ: входной, промежуточный и выходной.

Базовые цепи генераторов стабильного тока или стабилизаторов тока. Каскады

сдвига уровня и выходные каскады.

Дифференциальный каскад (ДК). Идентичность параметров транзисторов и

нагрузочных резисторов.

Параметры и характеристики ОУ.

Основной принцип применения ОУ – включение глубокой отрицательной

обратной связи (ООС).

3 Цифровые ИМС.

Основные виды цифровых ИМС: РТЛ, ДТЛ, ТТЛ и др. Системы параметров

интегральных логических элементов.

Логические элементы с барьером Шотки и логические элементы на основе

переключателей тока.

МДП транзисторные ключи. Транзисторные ключи на комплементарных

структурах (КМДП).

Интегральные логические элементы с инжекционным питанием (И2Л).

Принципы построения триггеров и их типы. Триггер элементарная ячейка

запоминающих устройств. Типы запоминающих устройств и их основные

параметры.

4 Большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС)

Повышение степени интеграции основная тенденция развития

микроэлектроники.

Пути повышения степени интеграции и проблемы, связанные с созданием

БИС и СБИС.

Особенности базовых элементов БИС и СБИС (n-МДП, КМДП, И2Л).

Приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Базовые матричные кристаллы при создании БИС и СБИС частного

применения.

Микропроцессоры, однокристальные микро-ЭВМ, цифро-аналоговые и

аналого-цифровые преобразователи (АЦП, ЦАП).

Перспективы развития микроэлектроники

Функциональная микроэлектроника. Оптоэлектроника, акустоэлектроника,

магнетоэлектроника, биоэлектроника и др.

Содержание лекций

1 Цели и задачи курса “Электронные, квантовые приборы и

микроэлектроника”. Физика полупроводников. p-n- переходы. Полупроводниковые

диоды. Разновидности и характеристики.

2 Транзисторы. Принцип действия, разновидности и характеристики.

3 Полевые транзисторы. Принцип действия, разновидности и

характеристики.

4 Тиристоры. Принцип действия, разновидности и характеристики.

5 Комплексная микроминиатюризация РЭА. Основная задача

микроэлектроники. Классификация изделий микроэлектроники.

6 Основные технологические операции изготовления ИМС. Формирование

структур полупроводниковых ИМС. Изготовление гибридных ИMС.

7 Виды аналоговых ИМС. Изготовление дифференциальных усилителей.

Операционные усилители.

8 Виды цифровых ИМС. Базовые логические элементы. Интегральные

триггеры. Элементы запоминающих устройств. Большие и сверхбольшие

интегральные схемы. Перспективы развития микроэлектроники.

Перечень лабораторных работ

1 Исследование полупроводниковых диодов различных типов.

2 Исследование статических характеристик биполярных транзисторов.

3 Исследование цифровых ИМС.

4 Исследование топологии ИМС.

Методические указания

к изучению курса “Электронные, квантовые приборы и

микроэлектроника“

1 Общие указания

В соответствии с учебным планом курса “Электронные, квантовые приборы и

микроэлектроника” студент обязан выполнить контрольную работу, ответить на

контрольные вопросы, выполнить лабораторный практикум и сдать экзамен. К

сдаче экзамена студент допускается при предъявлении экзаменатору

выполненных и зачтенных контрольных работ.

Основной формой изучения курса является самостоятельное изучение

рекомендованной литературы. Очные виды занятий являются дополнительной

формой в помощь самостоятельной работе студентов по изучению курса.

Кафедра рекомендует вести краткий конспект изучаемого учебного

материала. После изучения каждого раздела необходимо ответить на

контрольные вопросы и выполнить контрольные задания. На два контрольных

вопроса (по разделу II – один) из каждого раздела (согласно шифра, см.

задачу № 1 контрольного задания) ответы следует дать в письменной форме.

В приведенных ниже методических указаниях даются ссылки на основные

литературы [(, 2(. Однако, для изучения программы курса можно пользоваться

и списком дополнительной литературы.

Дополнительной литературой можно также пользоваться для более

углубленного изучения отдельных пунктов или разделов программы или в случае

отсутствия книг основной литературы.

Методические указания по разделам курса

Раздел 1. Полупроводниковые приборы

1 Электрические свойства полупроводников

(1(, с. 29-42;

В этом пункте рассматриваются физические основы полупроводников. Нужно

вспомнить основные положения квантовой механики из курса физики: основы

зонной теории, статистика Ферми-Дирака, уровень Ферми и его зависимость от

концентрации примесей в полупроводниках и температуры. Следует уяснить

способы построения энергетических уровней собственных и примесных

полупроводников. Нужно различить диффузионный и дрейфовый токи.

2 Физические процессы в электронно-дырочных переходах и контактах

(((, с. 42-55;

Материал этого пункта надо тщательно изучить, так как он является

чрезвычайно важным для понимания работы всех полупроводниковых приборов.

Необходимо изучить свойства p-n переходов, их энергетические и

потенциальные диаграммы.

Надо знать уравнение вольтамперной характеристики, отличие

теоретической характеристики от реальной, виды пробоев p-n перехода.

Изобразить эквивалентную схему p-n перехода и дать физическое объяснение

наличия барьерной и диффузионной емкостей перехода.

Необходимо знать принцип действия контакта металл-полупроводник (барьер

Шотки).

3 Полупроводниковые диоды

[1], c. 56-92;

4 Биполярные транзисторы

[1], c. 93-175;

5 Полевые транзисторы

[1], с. 183-211.

Надо усвоить устройство и принцип действия полевых транзисторов с

управляемым p-n переходом, знать их статическое характеристики и

дифференциальные параметры.

Следует разобраться с принципом действия, структурой и особенностями

полевых транзисторов с изолированными затворами (МДП-транзисторы), их

разновидностями; МДП с индуцированным и встроенным каналами. Необходимо

знать режимы обеднения и обогащения этих транзисторов и какие из них могут

работать в том или ином режиме. Все это необходимо проиллюстрировать на

физике процессов, а также с помощью статических характеристик транзисторов.

Следует знать схемы включения, дифференциальные малосигнальные

параметры и эквивалентные схемы полевых транзисторов.

Необходимо иметь представление о приборах с зарядовой связью.

Этот материал можно найти в [4].

6 Различные полупроводниковые приборы

[1], c.175-182;

В этом пункте основное внимание уделяется устройству тиристоров. Нужно

знать устройство и принцип действия диодного и триодного тиристора. Нужно

также уяснить работу теплоэлектрических приборов, полупроводниковых

резисторов и варисторов.

Шумы и надежность электронных приборов [1], с. 158-165, 19-22;

Контрольные вопросы к I-разделу

1. Укажите роль электронных приборов и изделий микроэлектроники в

подготовке специалистов Вашего профиля.

1. Начертите диаграммы энергетических зон собственного и примесного

полупроводников и объясните характер электропроводности в

полупроводниках.

1. Что такое диффузионный и дрейфовый токи?

1. Почему резко снижается концентрация подвижных носителей заряда в

приконтактной области двух полупроводников с разными типом проводимости?

1. Начертите потенциальную диаграмму (или диаграмму энергетических уровней)

p-n перехода в равновесном состоянии.

1. Начертите потенциальную диаграмму (или диаграмму энергетических уровней)

p-n перехода при прямом включении.

1. Начертите потенциальную диаграмму (или диаграмму энергетических уровней)

p-n перехода при обратном включении.

1. Чем отличается реальная вольтамперная характеристика p-n перехода от

теоретической?

1. Какие виды пробоя p-n перехода вы знаете?

1. Что такое зарядная емкость p-n перехода?

1. Что такое диффузионная емкость p-n перехода?

1. Дайте классификацию полупроводниковых приборов по технологии

изготовления и по типу структуры.

1. Как называются приборы, основанные на контакте металл-полупроводник?

1. Дайте классификацию диодов по конструктивным особенностям и применению.

1. Каково устройство и принцип действия полупроводникового диода?

1. Объясните устройство стабилитрона и его включение в схему.

1. Каковы особенности работы диодов в импульсном режиме?

1. Дайте классификацию транзисторов по конструкции и их применению.

1. Начертите схемы включения транзистора с общей базой, с общим эмиттером и

с общим коллектором?

1. В чём заключается особенности режимов: активного, отсечки и насыщения?

1. Расскажите принцип действия биполярного транзистора.

1. Дайте сравнение усилительных свойств транзисторов в разных схемах

включений.

1. Изобразите статистические характеристики транзисторов и объясните ход их

изменения.

1. Какие системы параметров транзисторов Вам известны и какая связь между

ними?

1. Изобразите эквивалентные низкочастотные Т-образные схемы транзистора.

1. Что такое предельная частота, граничная частота усиления тока базы?

1. Нарисуйте диаграмму коллекторного тока при импульсном режиме работы.

1. Каков принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом?

1. Нарисуйте схему устройства транзистора с изолированным затвором и

объясните его принцип действия.

1. Изобразите три схемы включения полевого транзистора. Нарисуйте семейство

статических (выходных и передаточных) характеристик.

1. Что такое прибор с зарядовой связью?

1. Объясните принцип действия динистора.

1. Объясните вольтамперную характеристику динистора.

1. Назовите параметры тиристоров.

1. Объясните принцип действия полупроводниковых резисторов, варисторов.

1. Объясните принцип действия датчика Холла.

1. Назовите виды шумов в транзисторе.

1. Как определяется долговечность прибора?

1. Что такое интенсивность отказов?

1. Как влияет режим на надежность полупроводниковых приборов?

Раздел II. Оптоэлектронные и квантовые приборы

[1], с, 313-327, 356-371;

Данная тема является одним из перспективных направлений развития

электроники. Поэтому необходимо уяснить достоинства оптоэлектронных

приборов вообще, и оптронов в частности. Краткие сведения по оптронам можно

найти в [1] и [4], по индикаторам в [1]. Более полные сведения по ним можно

найти в дополнительной литературе [9].

Контрольные вопросы по разделу II

1. Основные достоинства оптоэлектронных приборов.

1. Устройство оптрона и основные его узлы.

1. Светоизлучатели. Основные требования к ним.

1. Светодиоды. !принцип цействия, характеристики, параметры.

1. Оптическая среда. назначение, требования к ней.

1. Фотоприемники. Характеристики и параметры.

1. Принцип действия фоторезистора, Характеристики и параметры.

1. Принцип действия и устройство Фотодиода. Фотогенераторный

режим.

1. Фотопреобразовательный режим фотодиода.

1. Способы повышения коэффициента передачи тока оптронов.

1. Фототранзисторы и фототиристоры. Принцип работы и выходные

характеристики,

1. Классификация оптронов. Условные обозначения.

1. Сравнительная характеристика.

1. Характеристики оптронов.

1. Параметры оптронов.

1. Применение оптронов.

1. Принцип действия полупроводниковых индикаторов

1. Жидкокристалические индикаторы. Принцип действия и разновидности.

Страницы: 1, 2