– Конструктивно-технологические разновидности мдп-транзисторов

Конструктивно-технологические разновидности МДП-транзисторов

Чертеж топологии (а) и электрическая схема (б) паразитного МДП-транзистора: 1 – Аl шина, 2 – толстый окисел, 3 – диффузионные шины.

Когда требуется обеспечения высоких значений крутизны характеристик активного транзистора и с целью экономии площади рекомендуется П — образная форма канала (рис)

Для повышения степени интеграции в микросхемах,

На рис. приведена конструкция инвертора, в которой диффузионная область стока активного и МДП — транзисторов объединены.

Конструкция МДП – транзистора с затворами:

— удельная крутизна.

Конструкция Д-МДП — транзисторов.

1 – область канала, 2 – область дрейфа электронов.

Конструкция МОП — транзисторов на диэлектрической подложке

Межсоединения в СБИС

Эквивалентная электрическая схема проводника с подныриванием :

Г И С –

Подложки ГИС –

Элементы ГИС.

Конструкции пленочных резисторов.

а) полоскового б )типа «меандр» в ) составного

где — удельное объемное сопротивление резистивного материала

— нормальная температура.

Коэффициент старение пленочного резистора

;

где — время, в течение которого поверхностное сопротивление изменилось на .

, где — мощность, рассеиваемая пленочным резистором; — ток резистора.

Рекомендуется для тонкопленочных резисторов мВт/мм2 , для толстопленочных мВТ/мм2 .

Паразитные индуктивность и емкость характеризуют частотные свойства пленочных резисторов.

при >> полное сопротивление , — толщина резистивной пленки. У высокоомных резисторов сопротивление областей контактов обычно значительно меньше сопротивления резистивной пленки, поэтому

, — удельное поверхностное сопротивление (сопротивление квадрата пленки толщиной ) , — коэффициент формы резистора. Квадрат резистивной пленки толщиной со стороной и площадью поперечного сечения .

Из можно получить выражение для удельного поверхностного сопротивления однородного слоя резистивного материала с равномерной толщиной :

Конструкции пленочных конденсаторов

. Толщина диэлектрика, выбираемая из условия обеспечения заданного рабочего напряжения, определяется формулой

, где — коэффициент запаса, необходимый для обеспечения надежных характеристик и равный 3…10.

Конструкции пленочных индуктивностей

Топология пленочных индуктивностей представлена :

L=, где Дср=0,5(Дн +Двн) – средний диаметр витка, см, — ширина обмотки, см, — шаг обмотки, см

Конструкции элементов коммутации

Конструкции пленочных структур с распределенными

параметрами

металлический диэлектрический резистивный подложка RC-цепочка обеспе

слой слой слой чивает фазовый

сдвиг максимум

1 – диэлектрик; 2 – пленочный проводник; 3 – экран; 4 – проволочные выводы.

Топология экранов — структур

а ) б )

а )круглый с разрезами

б)гребенчатый.

Конструирование подгоняемых резисторов.

Главную подгонку. Конструкции плавно подгоняемых резисторов изображены на рис.

Ступенчатая подгонка

Конструкции подгоняемых конденсаторов.

1- вывод нижней обкладки; 2 – верхняя обкладка; 3 – вывод верхней обкладки ; 4 – диэлектрик; 5 – элемент подгонки

Широкополосные усилители.

Однокаскадные усилители. При построении широкополосных усилителей используют два основных типа обратных связей : шунтирующую, или параллельную, и последовательную (см. рис.) :

С параллельной ОС с последовательной ОС

Многокаскадные усилители.

Схемы трансляторов :

а) б)

Схема (а) осуществляет смещение уровня напряжения в отрицательном направлении до значения :

, где — падение напряжения между базой и эмиттером транзистора

На рис.(б) приведена схема транзистора с использованием стабилитрона, осуществляющая сдвиг постоянного напряжения на , где — напряжение пробоя стабилитрона.

Избирательные усилители. В зависимости от взаимного расположения полос пропускания и заграждения различают следующие виды избирательных усилителей : нижних частот, верхних частот, полосовые пропускания, полосовые заграждения.

На рис. приведены идеализированные АЧХ фильтров низких (а),высоких (б) частот, пропускающих (г) и заграждающих фильтров (в):

а ) б )

в)

г )

На рис. приведена схема активного фильтра, построенного на основе инвертирующего ОУ и интегратора. Данный активный фильтр представляет собой инвертирующий усилитель с постоянным КУ в полосе частот от до . Частота среза регулируется цепью обратной связи в соответствии с выражением .

Схема фильтра НЧ.

Схемы простейшего RC — фильтра ВЧ приведена на рис., его АЧХ на рис.

Частота среза данного фильтра . Активные фильтры ВЧ для получения АЧХ с большой крутизной спада включают последовательно.

Схема простого полосового фильтра

Аналоговые коммутаторы и компараторы.

На рис. приведены электрические схемы последовательного, параллельного и последовательно-параллельного коммутаторов, построенных на БТ.

а) б) в)

В качестве прецизионных коммутаторов в аналоговых схемах используют схему на ПТ, включенных последовательно с ОУ (рис.)

Компараторы.. На рис. представлены простейшая схема компаратора и его передаточная характеристика.

Резисторы. Классификация.

Выбор конструкции и расчет полупроводниковых резисторов.

Для ИС, изготовляемых по эпитаксиально-планарной технологии, ם составляет: для коллекторного слоя 250…500 Ом/ם для базового 200…300 Ом/ם , для эмиттерного 2,5…5 Ом/ם .

Высокоомные резисторы формируются на основе базовых диффузионных слоев, ограниченных по толщине эмиттерным слоем n+ — типа:

. Сопротивление квадрата такого резистивного слоя линейно связано с коэффициентом усиления транзистора Вст.

ם б = 2…20 < Ом/ם .

Для получения высокоомных резисторов ( ) используется также ионное легирование полупроводниковых материалов.

При ионной имплантации формируют резистивные слои с ם б 1…5 КОм/ם.

Наиболее широко применяемые топологии полупроводниковых резисторов показаны на рис.:

а) б)

в) г)

Сопротивление основной области определяется по формуле :

к. Сопротивление резистора определяется по формуле:

ם (Кф+ 2 Кфк)

Конденсаторы. Классификация. Типовые конструкции.

Конденсаторы на основе — переходов.

Полупроводниковый — переход характеризуется барьерной емкостью, которая зависит от напряжения смещения :

где удельная барьерная емкость — перехода при напряжении смещения удельная барьерная емкость — перехода при — контактная разность потенциалов; — показатель, определяемый конструктивно-технологическими особенностями переходов ( =1/2 для резкого перехода, =1/3 для плавного) .

Удельные емкости резкого и плавного переходов при определяются по выражениям

где — градиент концентрации результирующей примеси у металлургической границы плавного — перехода.

Конструкция наиболее широко применяемого полупроводникового конденсатора на основе коллекторного перехода:

1- алюминиевый вывод от верхней обкладки конденсатора, 2- пленка , 3 – базовая р — область (верхняя обкладка конденсатора): 4 – коллекторная n — область (нижняя обкладка конденсатора), 6 – пленка золота (контакт к подложке), 7 – алюминиевый вывод от нижней обкладки конденсатора.

Эквивалентная схема

Здесь С1 –емкость, образованная переходами между р – областью (базовая диффузия) и карманом n – типа (эпитаксиальной слой), С2 – емкость перехода карман – подложка, R – сопротивление n – области, выполняющей роль нижней обкладки конденсатора.

Эквивалентная схема конденсатора на основе эмиттерного перехода:

Структура эквивалентная схема

С1 – емкость конденсатора; С2, С3 — паразитные емкости переходов ; R — сопротивление потерь, определяемое в основном сопротивлением базового р — слоя, так как эмиттерный n+- слой металлизирован; VD — диод — перехода; VT – паразитный — транзистор.

Конденсатор на основе перехода коллектор – подложка:

Конденсаторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник

В качестве нижней обкладки конденсатора используют сильнолегированный — слой

Пленочные конденсаторы.

Основные конструкции пленочных конденсаторов :

а) б)

1 – подложка; 2 – нижняя обкладка; 3 – диэлектрик; 4 – верхняя обкладка.

Конструкция пленочного конденсатора со сложной формой обкладок б):

1 – вывод нижней обкладки; 2 – диэлектрик; 3 – верхняя обкладка; 4 – вывод верхней обкладки.

2 и 3 — элементы обкладки, 4 и 5 – выводы.

Емкость пленочного конденсатора (пФ) рассчитывается по формуле

где — площадь взаимного перекрытия обкладок, см2; — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, — толщина диэлектрика, см, =0,0885 / — удельная емкость пФ/см2.

Толщина диэлектрика, выбирается из условия обеспечения заданного уровня рабочего напряжения

— рабочее напряжение обеспечивается выбором соответствующего материала диэлектрика с определенным значением пробивной напряженности электрического поля ; , где — коэффициент запаса, определяющий уровень надежности конденсатора

Добротность пленочного конденсатора :

; — тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике. тангенс угла потерь обкладках и выводах.

Основные способы теплопередачи.

Теплопередача может обеспечиваться тремя различными способами: теплопроводностью, конвенцией и излучением.

Теплопередача посредством теплопроводности осуществляется непосредственным теплообменом между смежными частями, существует только в твердых веществах и определяется законом Фурье :

Вт

где — величина теплового потока, Вт, — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м2 . 0С); — длина пути теплового потока, м, и — температура в двух сечениях, 0С; — площадь поперечного сечения, м2.

Теплопередача посредством конвенции. Количество тепла, которое может быть передано конвекцией, определяется законом Ньютона :

где — коэффициент теплопередачи конвенцией, Вт/(м2 . 0С); S – площадь поверхности теплообмена, м2 ; Т – температура поверхности,0С; Тс — температура окружающей среды, 0С.

Количество энергии, излучаемое нагретым телом, пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры и определяется законом Стефана-Больцмана:

где Е0 — полное количество энергии, излучаемое в единицу времени 1 м2 абсолютно черного тела, , Т – температура тела; Со =5,67 – константа лучеиспускания абсолютно черного тела, .

Количество тепла, которое излучает поверхность S1 на поверхность S2 или в окружающую среду, определяется формулой

коэффициент теплоотдачи излучением от одной поверхности к другой :

где — коэффициенты облученности соседних тел, — приведенная степень черноты взаимодействующих поверхностей.

Методы отвода тепла.

Наиболее распространены следующие методы:

1.Естественное охлаждение,

2.Принудительное воздушное охлаждение,

3.Принудительное жидкостное охлаждение,

4.Термоэлектрическое охлаждение

Существуют три основных режима движения газа : ламинарный, турбулентный и переходный режим от ламинарного к турбулентному. Ламинарный и турбулентный режимы характеризуются числом Рейнольдса :

;

— скорость движущейся среды; — размер тела; — коэффициент кинематической вязкости; — коэффициент динамической вязкости; — плотность движущейся среды.

Критерий Рейнольдса характеризует отношение сил инерции и сил вязкости. Величина представляет характер движения: при < 2300 движение ламинарное; при >104 – турбулентное; при 2300 <<104 – режим движения переходный от ламинарного к турбулентному.

Коэффициент теплоотдачи при принудительном воздушном охлаждении определяется следующим выражением :,

— теплопроводность охлаждающей среды,

— длина теплоотвода.

Термоэлектрическое охлаждение.

Явление термоэлектрического охлаждения основывается на эффект Пельтье, который описывается уравнением :

коэффициент Пельтье.

Этот эффект заключается в выделении тепла, дополнительного джоулеву, при протекании постоянного тока по цепи, состоящей из проводников с различными коэффициентами термо ЭДС.

Модель такого проводника :

Аналогичный процесс происходит в цепи, состоящей из полупроводников с различными типами проводимости. Модель такого соединения :

Между термоэлектродвижущей силой и коэффициентом Пельтье существует соотношение . Если при этом тепло поступающий из окружающей среды , то максимальный перепад температур термобатарей

где эффективность (добротность). Для практических расчетов

, где — коэффициент теплопроводности термоэлемента; — электропроводность.

=Q/W.

Тепловое сопротивление.

На рис. представлена тепловая модель транзистора установленного на радиаторе.

Здесь — температуры перехода среды ; Р – мощность выделяемая в приборе; — соответственно тепловые сопротивления переход-корпус, корпус-среда, корпус-радиатор и радиатор-среда.

Транзисторы, работающие без теплоотводов, характеризуются тепловым сопротивлением между областью электронно-дырочного перехода в кристалле полупроводника и окружающей средой . Это тепловое сопротивление зависит от конструкции транзистора и может быть вычислено по формуле :

При наличии радиатора тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой равно

Тепловое сопротивление корпус-радиатор зависит от качества теплового контакта между транзистором и радиатором.

При использовании между корпусом полупроводникового прибора и радиатором изолирующей прокладки следует учитывать ее влияние на тепловое сопротивление .

Тепловое сопротивление радиатор – окружающая среда зависит главным образом от величины радиатора и качества обработки его поверхности.

Тепловые сопротивления между поверхностью корпуса или радиатора и окружающей средой определяется из следующих уравнений :

где — полная поверхность прибора, м2 ; — поверхность радиатора, м2; — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 0С). Зависимость температуры перехода полупроводникового прибора при заданных рассеиваемой мощности и температуре окружающей среды от тепловых сопротивлений определяется по формуле :

Факторы, влияющие на величину теплового

контактного сопротивления.

Тепло от одной соприкасающейся поверхности к другой в общем случае передается следующими путями :

— теплопроводностью через места непосредственного контакта;

— теплопроводностью через среду, заполняющую пространство между выступами и шероховатостями контактирующих поверхностей;

— конвективным переносом тепла средой, заполняющей это пространство;

— лучистым теплообменом между поверхностями.

Зависимость перепада температур между корпусом транзистора и теплоотводом от мощности рассеяния при нормальном и пониженном давлениях представлены на рисунке.

Величина теплового контактного сопротивления зависит от следующих факторов :

— площади контактных поверхностей;

— физико-химических свойств материалов контактных поверхностей;

— качества обработки контактных поверхностей;

— температуры в области контакта;

— наличие электроизоляционных прокладок;

— усилия затяжки винтов или силы, прижимающей полупроводниковый прибор.

Зависимость температуры корпуса транзистора от Р-ти рассеяния при применении различных смазок между транзистором и теплоотводом представлены на рисунке.

1 – транзистор без смазки, 2 – транзистор со смазкой ЦИАТИМ, 3 — транзистор с бериллиевой смазкой КПТ-8.

Расчет мощности, рассеиваемой полупроводниковыми приборами.

При работе транзисторов в усилительных и генераторных схемах 2 гармоническим сигналом мощность, рассеиваемая коллектором, рассчитывается по формуле :

, напряжение источника питания, — падение напряжения. На нагрузке от постоянной составляющей коллектора.

При работе транзисторов в импульсных режимах, при величинах тока коллектора, не достигающих насыщения, мощность, рассеиваемая коллектором, определяется по формуле

Если транзистор работает в импульсных схемах с насыщением, то значительная Р — сть рассеивается также и в базовой цепи Рб. В ряде случаев эта Р-сть может даже превосходить Р-сть рассеиваемую на коллекторе.

, где F — частота следования импульсов или f-та переключения; — неуправляемый ток коллектора, — сопротивление в цепи коллектора, длительность переднего фронта импульса, — длительность заднего фронта импульса, — время в течение которого транзистор заперт, — время в течение которого транзистор находился в насыщении.