Реферат: Электронны, квантовые приборы и микроэлектроника

логические операции И-НЕ, ИЛИ-НЕ [2, с. 260-262].

Особое внимание уделите изучению системы параметров интегральных логических

элементов [2, с. 263-266]. Основные статические параметры логического

элемента могут быть определены из передаточной характеристики.

В основу классификации ИМС логических элементов положено их схемотехническое

построение [2, с. 266-271]. Значительно облегчит понимание особенностей

каждого вида ИМС логических элементов предварительное рассмотрение

статического и динамического режимов простейших логических элементов.

Необходимо понимать причины ограничения быстродействия логических элементов.

Основным способом повышения быстродействия является уменьшение степени

насыщения транзисторов без изменения величины нагрузочных резисторов. Этот

принцип реализуют логические элементы с барьером Шотки и логические элементы

на основе переключателей тока.

При изучении МДП транзисторных ключей особое внимание уделите особенностям

и преимуществам комплементарного ключа (КМДП).

В настоящее время наибольшее распространение в ИМС малой и средней степени

интеграции получили транзисторно-транзисторные (ТТЛ), транзисторно-

транзисторные с барьером Шотки (ТТЛШ) и эмиттерно-связанные (ЭСЛ)

интегральные логические элементы. Изучите схемы и особенности таких

элементов, а также ориентировочные параметры каждого из них.

В больших интегральных схемах (БИС) широкое распространение получили МДП- и

КМДП-интегральные логические элементы [2, с. 275-280], а также интегральные

логические элементы с инжекционным питанием (И2Л). Особое внимание

обратите на принципы работы схем И2Л, существенно отличающиеся от

принципов работы других логических элементов. При изучении МДП-интегральных

логических элементов помните, что наряду с элементами на ранее рассмотренных

статических ключах иногда используются динамические элементы, имеющие

определенные преимущества по потребляемой мощности.

Необходимо знать ориентировочные параметры всех типов интегральных логических

элементов и уметь сравнить их между собой.

На основе интегральных логических элементов реализуются интегральные

логические триггеры. Функциональное отличие триггера от логического элемента

состоит в том, что триггер обладает двумя устойчивыми состояниями по каждому

из выходов. Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое

возможны при определенной логической комбинации входных сигналов. По

логической структуре переключения различают типы триггеров. Необходимо знать

принципы их построения и типы.

Триггер является элементарной ячейкой запоминающих устройств. Следует

различать типы запоминающих устройств и их основные параметры.

Разнообразие видов триггеров объясняется их применением для построения

арифметических и логических устройств.

Дальнейшее совершенствование цифровых ИМС с целью улучшения технико-

экономических показателей возможно за счет схемотехнических и технологических

приемов [2, с. 281-284].

4 Большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС)

Повышение степени интеграции является основной тенденцией развития

микроэлектроники, так как использование БИС сопровождается резким улучшением

всех основных показателей аппаратуры.

Пути повышения степени интеграции и проблемы, связанные с созданием БИС и

СБИС, подробно рассмотрены в [2].

В цифровых БИС находят применение базовые ячейки, занимающие малую площадь на

подложке и обладающие минимальной потребляемой мощностью (n-МДП, КМДП, И2

Л).

В настоящее время для создания БИС и СБИС начали использовать функционально-

интегрированные структуры, в частности, приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Увеличение степени интеграции приводит к резкому сужению сферы применения БИС

и СБИС, что делает их производство экономически нецелесообразным. Исключение

составляют БИС и ОБИС для средств вычислительной техники. Использование

базовых матричных кристаллов при создании БИС и СБИС частного применения

снимает экономические ограничения.

Широкое использование средств вычислительной техники и цифровой обработки

сигналов стимулируется созданием цифровых БИС микропроцессоров,

однокристальных микро-ЭВМ, цифро-аналоговых и аналого-цифровых

преобразователей (АЦП, ЦАП). Начальные сведения о таких БИС содержатся в [2,

с. 221-241, 298-302]. Особое внимание при изучении раздела обратите на

структуру и основные возможности микропроцессоров, являющихся наиболее

сложными и универсальными БИС [2, с. 198-302].

Перспективы развития микроэлектроники

Основные усилия разработчиков ИМС направлены на усовершенствование уже

сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и

эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным образом, в

направлении повышения быстродействия схем (уменьшения энергии, расходуемой

внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени

интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии

получения микроэлектронных структур минимально возможных размеров [2, с.

345, 375-380].

Дальнейшее развития микроэлектроники связано с принципиально новым подходом,

позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения

стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в

твердом теле. Такое направление получило название "функциональная

микроэлектроника". Используются оптические явления (оптоэлектроника),

взаимодействие электронов с акустическими волнами в твердом теле

(акустоэлектроника), эффекты в новых магнитных материалах

(магнетоэлектроника), электрические неоднородности в однородных

полупроводниках, явление холодной эмиссии в пленочных структурах, явления

живой природы на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейристорная

электрониа) и др. Подробно основные направления функциональной

микроэлектроники рассмотрены в [2, с. 345-375].

Контрольные вопросы к разделу III

1. Поясните понятие надежности компонентов РЭА, дайте определения

понятиям "вероятность безотказной работы" и "интенсивность отказов". Что

означает термин «Тирания больших количеств».

2. Перечислите и поясните базовые физико-химические процессы создания

полупроводниковых микроэлектронных структур.

3. Приведите последовательность технологических операций по изготовлению

полупроводниковых биполярных ИМС.

4. Приведите последовательность технологических операций по

изготовлению МДП ИМС.

5. Каким образом осуществляется сборка и герметизация

полупроводниковых ИМС, какие типы корпусов Вы знаете?

6. Изобразите конструкцию биполярной ИМС с изоляцией между элементами

обратно смещенными p-n переходами.

7. Изобразите конструкцию биполярной ИМС с диэлектрической изоляцией

между элементами.

8. Перечислите основные преимущества и недостатки ИМС с

диэлектрической изоляцией между элементами.

9. Изобразите устройство интегрального n-p-n транзистора, поясните

основные отличия от аналогичного дискретного транзистора.

10. Изобразите устройство многоэмиттерного и многоколлекторного

транзисторов, поясните их основные особенности.

11. Изобразите устройство горизонтального и вертикального p-n-p

транзисторов, поясните их основные особенности.

12. Изобразите схемы включения транзистора в качестве диода, приведите

основные параметры для каждой из схем включения.

13. Изобразите устройство КМДП структуры, поясните основные особенности и

преимущества.

14. Перечислите и объясните основные преимущества и недостатки КМДП ИМС по

сравнению с биполярными ИМС.

15. Изобразите устройство диффузионного резистора, приведите его основные

параметры.

16. Изобразите устройство диффузионного конденсатора на основе обратно

смещенного p-n перехода, приведите его основные параметры.

17. Изобразите устройство МДП конденсатора, поясните его основные

преимущества по сравнению с диффузионными конденсаторами.

18. Поясните устройство гибридной ИМС (микросборки).

19. Перечислите преимущества и недостатки толстопленочных и тонкопленочных

гибридных ИМС (микросборок).

20. Изобразите и поясните возможные конструкции пленочных резисторов,

конденсаторов и индуктивностей.

21. Изобразите и поясните конструкцию типовой гибридной ИМС (микросборки);

укажите, какие виды корпусов и материалы подложки используются.

22. Перечислите основные методы нанесения тонких пленок, поясните основные

преимущества и недостатки каждого из методов.

23. Назовите основные тенденции совершенствования ИМС.

24. Перечислите виды аналоговых ИМС по выполняемым функциям.

25. Дайте определение понятия "интегральный операционный усилитель". Из

каких основных каскадов он состоит?

26. Изобразите схему дифференциального каскада, поясните принцип действия.

27. Изобразите схему каскада сдвига уровня, поясните принцип действия.

28. Изобразите схему простейшего стабилизатора тока и поясните принцип

действия.

29. Поясните принцип построения выходного каскада ОУ и его назначение.

30. Поясните принцип стабилизации параметров устройств на ОУ с помощью

введения цепи отрицательной обратной связи.

31. Почему ОУ называют многофункциональной аналоговой ИС?

32. Перечислите простейшие логические функции, напишите их таблицы

истинности. Какие логические функции выполняют интегральные логические

элементы?

33. Перечислите и поясните основные параметры интегральных логических

элементов.

34. Поясните увеличение быстродействия в логических элементах и на

переключателях тока.

35. Изобразите схемы ТТЛ и ТТЛШ и поясните принцип действия.

36. Изобразите схемы ЭСЛ и И2Л и поясните принцип действия.

37. Изобразите схемы МДПЛ и КМДПЛ и поясните принцип действия.

38. Сравните основные типы интегральных логических элементов по

быстродействию и потреблению.

39. Дайте определение понятию "большая интегральная схема (БИC)".

40. В чем заключаются принципиальные преимущества БИС?

41. Перечислите основные проблемы, возникающие при повышении степени

интеграции ИМС.

42. Перечислите основные виды универсальных БИС.

43. Дайте определение понятия "микропроцессор", поясните, из каких

основных узлов он состоит.

44. Поясните назначение БИС цифро-аналоговых и аналого-цифровых

преобразователей.

45. Дайте определение понятию "функциональная микроэлектроника".

46. Какие физические явления используются в функциональной микроэлектронике?

47. Перечислите типы оптоэлектронных ИМС, поясните устройство и принцип

действия.

48. Дайте определение понятию "акустоэлектроника"; поясните, какие приборы

реализуются средствами акустоэлектроники.

49. Что такое "хемотроника", каковы основные направления ее развития?

50. Что такое "биоэлектроника", каковы перспективы ее развития?

Контрольное задание

Общие указания по выполнению контрольных заданий

1. Перед выполнением контрольной работы необходимо проработать

соответствующий теоретический материал и ознакомиться с методическими

указаниями к соответствующей контрольной работы.

2. В случае затруднения, возникшего при решении задач, студент может

обратиться на кафедру за устной или письменной консультацией.

3. Письменные ответы на контрольные вопросы должны быть четкими и ясными, по

возможности краткими.

4. Контрольные работы должны быть аккуратно оформлены: пронумерованы

страницы, указаны номера рисунков и таблиц, оставлены поля, для заметок

преподавателя.

Небрежно оформленная работа может быть возвращена без рецензирования.

5. Все графические построения выполняются аккуратно карандашом на

миллиметровой бумаге с указанием масштаба и размерностей по осям согласно

ГОСТ.

Если графическому построению предшествуют расчет, то расчетные данные

сводятся в таблицу.

Все величины, определяемые из графика, должны быть отмечены на графике.

6. В конце работы следует привести список использованной литературы и

расписаться, указав дату выполнения.

7. Исправления не зачтенной работы производятся на чистых листах не зачтенной

работы или новая тетрадь подшивается к старой и совместно с рецензией

высылается на повторную рецензию.

Контрольное задание состоит из двух задач.

Задача №1

Ответить на два (по разделу II – один) контрольных вопроса из каждого раздела

курса. Выбор вариантов осуществляются согласно первой букве фамилии студента

и последней цифре номера зачетной книжки по таблице 1.

Задача № 2.

Рассчитать режим по постоянному и переменному току транзистора с общим

эмиттером (ОЭ), работающего на активную нагрузку и управляемого от генератора

синусоидального тока.

Задано:

1) семейства статических входных и выходных характеристик транзистора, по

табл. 2 (соответствующие характеристики находятся по справочной литературе,

например, по [10,11]);

Таблица 2

2) напряжение коллекторного питания – ЕК,

3) сопротивление коллекторной нагрузки – RK,

4) амплитуда переменной составляющей базового тока – IБМ. .

Значения ЕК, RK, IБМ­ – выбираются согласно шифра студента по таблицам 3, 4.

Требуется:

1. Перерисовать статические характеристики транзистора и построить на них

динамические (нагрузочные) характеристики.

Таблица 3

Таблица 4

2. Исходя из условия оптимального (неискаженного) усиления выбрать рабочую

точку на входной и выходной характеристиках.

3. Указать пределы изменения входных и выходных токов и напряжений,

соответствующих IБМ.

4. Определить в рабочей точке параметры h11, h12, h21, h22, ki, ku.

Методические указания по выполнению контрольного задания

Письменные ответы на контрольные вопросы следует давать после изучения

соответствующей темы курса.

Расчетную часть контрольного задания (задачи 2,3) необходимо выполнять после

изучения тем 4 I-раздела и 1 III-раздела курса. Построение рабочих

(нагрузочных) характеристик и определение параметров по характеристикам

показано в [1] (стр.148-155). Следует обратить внимание на то, что

статистические входные характеристики, снятые при разных значениях VК

, располагаются близко друг другу. Это позволяет, с достаточной степенью

точности, принимать одну из статистических входных характеристик за рабочую

динамическую входную характеристику.

Ниже на примере показано последовательность расчетов и построений для задачи

№ 2.

Пример расчета задачи 2

Пусть исходными данными для расчета будут: ЕК = 20 В; RК =

1 кОм; IБМ= 50 мкА. Тип транзистора – КТ312Б.

Расчет начнем с выбора рабочей точки на выходной динамической характеристике

или нагрузочной линии (НЛ). Уравнение НЛ описывается выражением:

ЕК = VК + IК RК или IК = (ЕК -VК )/ RК,

где VК, IК – напряжение и ток коллектора.

Срисовывая из справочника [10] семейство выходных статистических характеристик

транзистора КТ312Б, строим на нем нагрузочную линию, ордината которой при V

К = ЕК (см.рис.3). Поскольку нагрузка RК является

чисто активной, то соединение прямой этих двух точек и дает НЛ.

На полученной НЛ необходимо выбрать положение рабочей точки (РТ), что

практически сводится к определению тока и напряжения коллектора при отсутствии

входного переменного сигнала. Для этого предварительно отметим все точки

пересечения НЛ со статическими выходными характеристиками (1¸5),

построенными для различных значений базового тока (0¸0,4 мА). Как видно

из построений, заданную амплитуду (по условиями задачи) базового тока IБМ

= 0,05 мА (с двойным размахом в 0,1 мА) можно разместить в промежутке между

любыми из соседних характеристик, поскольку они как раз и отличаются на 0,1 мА.

Чаще всего выбирают такое значение базового

Рис. 3

тока, которые соответствует середине НЛ, т.е. в точке 3 с IБ =0,2 мА.

Так можно поступить и студентам, выполняющим данное контрольное задание. Однако

мы здесь рассмотрим более обобщенный случай, когда реализуется более

эффективный режим усиления с наименьшими искажениями и рассеиваемой мощностью.

Например, если учесть что, во-первых, верхние характеристики располагаются

более близко, чем нижние (сравните промежутки между точками 1-2 и 4-5), а

во-вторых, верхние толчки (3¸5) соответствуют сравнительно большим

значениям коллекторного и базового токов, следовательно, большей рассеиваемой

мощности, то желательно находиться между точками 1-2.

Однако указанные точки, в особенности, точка 1, соответствующая IБ =

0, находится на самом нижнем нелинейном участке входной характеристики (рис. 4,

перерисовано со справочника), в связи с чем, пределы изменения базового тока

необходимо сместить несколько выше, к примеру, к окрестности точки 2. Однако в

справочнике характеристики приведены с дискретностью IБ =0,1 мА и

отсутствуют характеристики, соответствующие к изменению IБ = 0,05

мА. Это положение можно легко подправить, если считать, что одинаковым их

изменениям IБ соответствуют одинаковые изменения IК.

Практически это сводится к тому, что в промежутке между выходными

характеристиками для IБ = 0,1 мА и IБ = 0,2 мА, а также

для IБ = 0 и IБ = 0,1 мА, по середине, проводим

характеристики для IБ = 0,15 мА и IБ = 0,05 мА (см.

штриховые линии).

Точки пересечения этих линии с НЛ отметим точками 1' и 2', что и будет

показывать пределы изменения рабочей точки.

По построенным характеристикам рабочая точка будет находиться в точке 2, как на

выходной, так и на входной характеристиках

*. Их координаты по выходной характеристике (рис. 3):

VК0 = 12,2 » 12 В;

IК0 = 7,5 мА;

по входной характеристике (рис. 3):

VБ0 = 0,75 В;

IБ0 = 0,1 мА.

Имея постоянную составляющую IБО= 0,1 мА, строим на этом уровне

изменение базового тока iБ(t), т. е. сумму переменного и постоянного

составляющих (на рис.3 заштриховано). Соответствующее изменение базового

напряжения, с пределами изменения VБмин и VБмах на уровне

VБ0, показана на нижней части этого рисунка.

Аналогичное построение осуществляется и на выходной характеристике транзистора

относительно уровней IК0 и VК0 c амплитудами IКМ

и VКМ.

Параметрами переменного сигнала на входе и на выходе являются соответственно I

БМ, VБМ и IКМ, VКМ.

При определении IКМ, VКМ, а также VБМ, следует

обратить внимание на то, что полуволны этих величин не одинаковы. Это приводит

к тому, что усиление сопровождается искажениями (при равной амплитуде

положительной и отрицательной полуволн базового тока, амплитуды коллекторного

тока и коллекторного и базового напряжений неодинаковы). Поэтому желательно,

чтобы величины IКМ, VКМ, и VБМ были усреднены,

т. е.:

IКМ = 2,9 мА;

VКМ = = 2,85 В;

VБМ = = 0,04 В;

Используя найденные величины, а также значения 2×

и 2× (см.

рис.3), находим h-параметры и коэффициенты усиления по току КI и

напряжению KU:

h11Э = 0,8 кОм; h12Э = ;

h21Э = 70; h22Э = » 0,26 мСм » 0,26×10-3 См;

КI = 58; KU = » 70;

Кроме того можно определить:

R ВХ = h11 = 0,8 кOм; КР = КI × KU = 58 × 70 = 4060;

P К~ = » 4 мВт;

РК0 = I К0 × V К0 = 7,5 × 12 » 90 мВт;

где P К~ и РК0 – мощности соответственно на нагрузке и транзисторе.

Система уравнений транзистора через h-параметры можно записать в следующем виде:

Этой системе соответствует эквивалентная схема транзистора, где используются

ранее определенные h-параметры:

Рис. 4

где левая часть схемы соответствует первому уравнению вида

VБ = h11ЭIБ + h12ЭVK = 0,8 IБ +0,03VK,

а правая часть – второму уравнению

IК = h21ЭIБ + h22ЭVK = 70IБ + 0,26×VK

Список литературы

Основная

1. Батушев В. А. Электронные приборы. – М. , “Высшая школа” 1980. – 383 с.

2. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. – 2-е изд., перераб. и

доп. – М.: Высшая школа, 1983. – 384 с.

Дополнительная

3. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы.

– М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.

4. Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д. Полупроводниковые приборы. –

М.: Высшая школа, 1981. – 431 с.

5. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. – М.:

Радио и связь, 1991г. – 288 с.

6. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и

технологические основы, надежность. – М.: Высшая школа, 1986.

– 464 с.

7. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника.

Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. – М.: Высшая

школа, 1987. – 416 с.

8. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Сов. радио, 1980.

– 424 с.

9. Носов. Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Сов. Радио, 1977. – 232 с.

10. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.

Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981г. – 656 с.

11. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под ред. Н. Н.

Горюнова – М.: Энергоатомиздат, 1985г. – 904 с.

12.Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. М., “Советское

радио”, 1970. – 592 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................4

Программа курса “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника”............4

Раздел 1. Полупроводниковые приборы.................................... 4

Раздел II. Оптоэлектронные и квантовые приборы............. 7

Раздел III. Микроэлектроника...................................................8

Содержание лекций.............................................................10

Перечень лабораторных работ.................................................. 11

Методические указания.........................................................11

Методические указания по разделам курса........................ 12

Раздел 1. Полупроводниковые приборы....................................12

Раздел II. Оптоэлектронные и квантовые приборы.........................15

Раздел III. Микроэлектроника...........................................16

Контрольное задание...........................................................26

Задача №1.....................................................................27

Задача № 2....................................................................27

Методические указания по выполнению контрольного задания......................28

Пример расчета задачи 2.......................................................29

Список литературы.............................................................34

* Если, заданная (согласно шифра)

совокупность исходных данных не позволяет реализовать нормальный режим усиления

без искажения, то студентам разрешается провести корректировку величин ЕК

и RК, предварительно обосновав необходимость нового режима.

Страницы: 1, 2, 3