Электроника (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

ПРОГРАММА, КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

201100

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2004

4. , , Петров твердотельные приборы и микроэлектроника: Конспект лекций / СПбГУТ. СПб, 2003. Ч.2 *.

5. , , Петров твердотельные приборы и микроэлектроника: Конспект лекций / СПбГУТ. СПб, 2004. Ч.3 *.

Дополнительная

6. , Чиркин приборы: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2001.

7. Степаненко микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. М.: Советское радио, 1980.

8. Электронные приборы: Учебник для вузов / Под ред. Г.Г. Шиш-кина. М.: Энергоатомиздат, 1989.

9. , , Фролкин микро-электроники: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1991.

СОДЕРЖАНИЕ

Цели и задачи дисциплины 3

Программа 4

Обзорные лекции 7

Лабораторные работы 7

Контрольное задание 8

Задание 1 9

Задание 2 15

Задание 3 24

Литература 31

_______________________________

* В издании конспекта (2001) материал, представленный в

двух последних частях (Ч.2 и 3), был издан в виде единой книги, обозначенной как Ч.2.

 

Рис. 9. Топология гибридной интегральной схемы,

реализующей инвертирующий интегратор

 

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

ПРОГРАММА, КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

201100

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2004

УДК 6

Электроника: программа, контрольное задание и методические указания (спец. 201100) / СПбГУТ. СПб, 2004.

Приводятся программа дисциплины, обзорные лекции, лабораторные работы, контрольное задание, посвященное основам применения биполярных и полевых транзисторов в усилительных каскадах и электронных ключах и разработке топологии гибридных интегральных схем, а также методические указания к решению контрольного задания и необходимая литература.

Внимание! В текст методических указаний к задаче 1.1 на стр.13 после первой строки п. 5 следует вставить следующий фрагмент текста: «нагрузочную линию по переменному току. Она проходит через рабочую точку по постоянному току, но ее наклон (в отличие от построенной в п. 4 нагрузочной линии по постоянному току) определяется сопротивлением R’К = RК //RН. На этой линии построить».

© Санкт-Петербургский

государственный университет телекоммуникаций им. проф. -Бруевича, 2004

Редактор

___________________________________________________________________

Подписано к печати 15.01.04.

Объем 2,0 печ. л. Тираж 600 экз. Зак.

___________________________________________________________________

РИО СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

СТ «Факультет ДВО». 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

6. При выборе расположения элементов на подложке и реализации соединений между элементами следует иметь в виду, что контактные площадки под внешние выводы схемы должны рас-полагаться вдоль длинных сторон подложки не ближе 1 мм от ее края. Также не ближе 1 мм от края подложки должны располагаться все элементы схемы и пленочные соединительные проводники. Толщина пленочных проводников должна быть не менее 50 мкм, пересечение между ними не допускаются. Расстояние между пленочными эле-ментами (включая проводники) должно быть не менее 200 мкм. Контактные площадки должны иметь размер не менее 400х400 мкм.

Навесные элементы (операционный усилитель) располагаются в специальных местах не ближе 500 мкм от пленочных элементов и 600 мкм от контактных площадок. Проволочные выводы навесных элементов присоединяются к специальным контактным площадкам, длина выводов должна быть не менее 600 мкм и не более 5 мм. При этом допускается прохождение проволочных выводов над пленочными элементами и соединительными проводниками, а изгибы и пере-сечения проволочных выводов между собой не допускаются. К одной контактной площадке может быть присоединен только один вывод навесного элемента. Все электрические соединения пленочных и навесных элементов должны соответствовать заданной схеме аналогового устройства.

7. Изобразить на миллиметровке топологию разработанной гибридной интегральной схемы в масштабе 10:1 и обозначить элемен-ты схемы, контактные площадки под внешние выводы и выводы операционного усилителя.

8. Для примера на рис. 9 представлена топология гибридной интегральной схемы, реализующей на основе бескорпусного операционного усилителя инвертирующий интегратор (схема 16 на рис. 7).

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие для вузов / Под ред. . М.: Радио и связь, 2002.

2. Петров , радиокомпоненты и электро-ника: Учебное пособие. СПб: Питер, 2003.

3. , , Штагер твердотельные приборы и микроэлектроника: Конспект лекций / СПбГУТ. СПб, 2003. Ч.1.

31

Материалы пленочных резисторов Таблица 1

Материал	Удельное сопротивление ρS , Ом / квадрат	Способ напыления
Нихром Сплав РС3001 Кермет	300 1 000…2 000 3 000…10 000	Термическое
Тантал Нитрид тантала Сплав РС3710	20…100 200 300…3 000	Катодное

Диэлектрики пленочных конденсаторов Таблица 2

Материал	Удельная емкость С0, пФ / см2	Способ напыления
Моноокись кремния Моноокись германия	5 000…10 000 5 000…15 000	Термическое
Двуокись кремния Окись тантала	20 000 50 000…	Катодное

Размеры подложек гибридных интегральных схем Таблица 3

Длина, мм	10	12	16	20	24	30	48	60
Ширина, мм	8	10	10	16	20	24	30	48

30

 

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью преподавания дисциплины «Электроника» является изучение студентами принципов работы и основ применения полу-проводниковых, электровакуумных и оптоэлектронных приборов, конст-руктивно-технологических и схемотехнических основ микроэлектроники.

Основные задачи дисциплины:

- ознакомление с основными параметрами, математическими моделями и эквивалентными схемами полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов;

- изучение основ применения полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов в аналоговых и цифровых схемах;

- ознакомление с конструкциями гибридных и полупровод-никовых интегральных схем, особенностями интегральных элементов, базовыми технологическими операциями, используемыми при создании интегральных схем;

- изучение основ схемотехники аналоговых и цифровых ин-тегральных схем.

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

- основные типы полупроводниковых диодов, их харак-теристики, параметры, эквивалентные схемы, особенности работы на высоких частотах и в импульсном режиме;

- принципы работы, характеристики, параметры и эквивалент-ные схемы биполярных и полевых транзисторов, особенности их работы на высоких частотах и в импульсном режиме;

- основы применения биполярных и полевых транзисторов в аналоговых и цифровых схемах;

- устройства, принципы работы, характеристики, параметры и основы применения полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением;

- конструкции гибридных и полупроводниковых интегральных схем, особенности характеристик и параметров интегральных эле-ментов;

- базовые ячейки и основные усилительные каскады, лежащие в основе схемотехники аналоговых интегральных схем, структурные схемы, параметры и основы применения операционных усилителей;

3

- электронные ключи и базовые логические элементы циф-ровых интегральных схем;

- основные типы полупроводниковых оптоэлектронных прибо-ров, их характеристики, параметры и основы применения.

В результате изучения дисциплины студент должен уметь:

- находить в справочной литературе основные характеристики и параметры полупроводниковых диодов, биполярных и полевых тран-зисторов, оценивать их влияние на параметры схем, в которых они используются;

- изображать схемы основных усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, проводить графический и аналитический расчеты их параметров, сопоставлять усилительные свойства транзисторов в различных схемах включения;

- изображать схемы электронных ключей и базовых логических элементов цифровых интегральных схем, объяснять их принципы работы и определять основные характеристики и параметры, со-поставлять параметры различных базовых логических элементов.

ПРОГРАММА

Полупроводниковые диоды

Математические модели и эквивалентные схемы полупро-водниковых диодов. Динамический и импульсный режимы работы диодов. Различные типы полупроводниковых диодов. Выпрямительные, высокочастотные, импульсные диоды. Стабилитроны. Варикапы.

Материал изложен в [1, п. 3,6 – 3.8, гл.4; 2, гл. 3; 3, п. 2.7, 2.8; 6, гл. 3].

Основы применения биполярных транзисторов

в аналоговых и цифровых схемах

Применение биполярных транзисторов для усиления электри-ческих сигналов. Графический расчет усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Малосигнальные параметры и формальные эквивалентные схемы (схемы замещения) транзистора. Малосигнальные физические эквивалентные схемы транзистора. Использование эквивалентных схем транзистора для аналитического расчета усилительных каскадов в режиме малых сигналов. Сравнение усилительных свойств биполярного транзистора в различных схемах включения.

4

4. При выборе материалов резистивной и диэлектрической пленок следует исходить из того, что для обеспечения максимальной степени интеграции резисторы и конденсаторы должны занимать на подложке минимальную площадь. Поэтому, чем выше сопротивления используемых в заданной схеме резисторов, тем большее удельное поверхностное сопротивление ρS должен иметь выбранный материал. Выбрав материал резистивной пленки и определив с помощью таб-лицы 1 его удельное сопротивление *, необходимо в соответствии с выражением [4, (5.2)] определить коэффициенты формы резисто - ров КФ. При выборе материала следует также иметь в виду, что резисторы с КФ < 0,1 и КФ > 50 не используются.

Аналогичным образом следует выбрать материал диэлек-трической пленки для изоляции обкладок конденсаторов и с помощью таблицы 2 определить его удельную емкость С0 = 0,0885 ε / d *. По фор-муле [4, (5.3)] необходимо определить площади перекрытия обкладок конденсаторов S.

5. Выбор формы резисторов зависит от коэффициента фор - мы: при КФ ≤10 резисторы имеют прямоугольную форму, при больших КФ резисторы выполняются в форме меандра [4, рис. 5.1, 5.2]. При определении размеров резисторов следует исходить из минимально допустимой ширины резистивной пленки, равной bМИН =100 мкм и определить длину резистора. В тех случаях, когда полученная длина резистора оказывается меньше минимально допустимой длины, равной lМИН = 500 мкм, следует задаваться минимальной длиной и определять ширину резистора.

Пленочные конденсаторы могут иметь как прямоугольную (квад-ратную) форму, так и более сложную форму, например Г- или П-образную. Выбор формы диктуется удобством расположения элементов на подложке. При выборе размеров конденсатора следует учитывать, что нижняя обкладка конденсатора должна выступать за край верхней не менее чем на 200 мкм, а диэлектрическая пленка должна выступать за край нижней обкладки не менее чем на 100 мкм.

После того, как определены размеры всех пленочных элемен-тов, необходимо вычислить суммарную площадь элементов схемы (включая площади операционного усилителя и контактных площа - док) SΣ и определить примерную площадь подложки SП, полагая SП = (2…3)SΣ. С помощью таблицы 3 следует выбрать стандартную подложку, размеры которой соответствуют полученной площади SП.

29

* В тех случаях, когда заданные в таблицах значения ρS и С0 имеют определенный диапазон изменения, можно выбирать любое значение из этого диапазона, полагая, что данное значение обес-печивается необходимым выбором длительности процесса напыления и, соответственно, толщиной напыляемой пленки.

 

Рис. 7. Схемы аналоговых устройств

28

 

Особенности работы биполярных транзисторов на высоких частотах. Сравнение динамических свойств транзистора в схемах ОБ и ОЭ. Дрейфовый транзистор. Импульсный режим работы биполярного транзистора.

Материал изложен в [1, п. 5.5 – 5.8; 2, п. 4.6 – 4.10; 3, п. 3.8 – 3.12].

Основы применения полевых транзисторов

в аналоговых и цифровых схемах

Модели и эквивалентные схемы полевых транзисторов. Частотные свойства полевых транзисторов. Применение полевых транзисторов для усиления электрических сигналов. Аналитический расчет усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОИ. Импульсный режим работы полевого транзистора.

Материал изложен в [1, п. 7,6; 2, п. 5.4, 5.5; 4, п. 4.4].

Полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением

Особенности вольтамперных характеристик S - и N-типов. Фи-зический смысл отрицательного дифференциального сопротивления. Структура, принцип работы и ВАХ диодного тиристора. Триодный тиристор. Применение тиристоров. Однопереходный транзистор. Туннельный диод. Лавинно-пролетный диод.

Материал изложен в [1, п. 4.6, гл. 6,18; 2, п. 3.8, 4.12; 3, п. 3.13; 6, 3.28 – 3.30, гл. 5].

Конструктивно-технологические основы микроэлектроники

Основные понятия микроэлектроники. Гибридные интегральные схемы. Пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности. Активные элементы гибридных интегральных схем. Тонкопленочные и толсто-пленочные схемы.

5

Полупроводниковые интегральные схемы. Способы изоляции интегральных элементов. Базовые биполярные n-p-n-транзисторы полупроводниковых интегральных схем (эпитаксиально-планарный и изопланарный) и их эквивалентная схема. Транзисторы с диодом Шотки, многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, транзисторы p-n-р-структуры. Интегральные диоды, резисторы и конденсаторы. МДП-транзисторы полупроводниковых интегральных схем.

Базовые технологические операции, используемые при создании интегральных схем. Особенности больших интегральных схем.

Материал изложен в [1, гл. 8,9; 2, гл. 6; 4, гл. 5; 7, гл. 6,7; 9, гл].

Основы схемотехники аналоговых интегральных схем

Базовые ячейки аналоговых интегральных схем. Составные транзисторы, генераторы стабильного тока, динамическая нагрузка, схемы сдвига потенциального уровня. Усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах. Дифференциальные усили-тельные каскады. Повторители напряжения. Выходные каскады аналоговых интегральных схем.

Операционные усилители – основа элементной базы анало-говых интегральных схем. Структура и основные параметры опера-ционных усилителей. Применение операционных усилителей. Специ-ализированные интегральные схемы, используемые в аппаратуре связи.

Материал изложен в [1, гл. 10; 2, гл. 7; 5, гл. 6; 7, гл. 9].

Основы схемотехники цифровых интегральных схем

Электронные ключи на биполярных и МДП-транзисторах. Статическая передаточная характеристика транзисторного ключа. Основные параметры цифровых интегральных схем.

Логические операции и логические элементы – основа схемо-техники цифровых интегральных схем. Транзисторная логика с непосредственными связями и ее варианты. Диодно-транзисторная и транзисторно-транзисторная логики. Эмиттерно-связанная логика. Интегральная инжекционная логика. Логические элементы на однотипных МДП-транзисторах. Логические элементы на ком-плементарных МДП-транзисторах.

Материал изложен в [1, гл.11; 2, гл.8; 5, гл. 7; 7, гл. 8,10].

Оптоэлектронные приборы

Классификация полупроводниковых оптоэлектронных прибо-ров. Фотоприемники: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор. Источники излучения: светодиод, полупроводниковый лазер. Оптопары. Оптоэлектронные интегральные схемы. Индика-торные приборы. Применение оптоэлектронных приборов.

6

Материал изложен в [1, п. 1; 2, п. 9.2; 6, гл. 9; 8, гл. 7; 9, п. 13.1].

 

27

 

Перспективы развития электроники

Проблемы повышения степени интеграции интегральных схем. Функциональная электроника – перспективное направление в микро-электронике. Элементы функциональной электроники на поверх-ностных акустических волнах, на цилиндрических магнитных доменах, на основе эффекта Ганна. Приборы с зарядовой связью. Применение базовых матричных кристаллов и программируемых логических мат-риц. Наноэлектроника.

Материал изложен в [1, гл. 12; 2, п. 5.6, гл. 9; 6, п. 6.8, 6.9, гл. 8; 9, гл. 11, п.13.2, 13.3].

ОБЗОРНЫЕ ЛЕКЦИИ (12 ч)

1.  Установочная лекция (читается перед началом семестра).

Программа дисциплины «Электроника». Рекомендуемая литература. Контрольное задание и методические указания к его решению (2 ч).

2. Применение биполярного транзистора для усиления элект - рических сигналов. Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора. Особенности работы транзистора на высоких частотах и в импульсном режиме (3 ч).

3. Усилительный каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме ОИ. Особенности работы полевых транзисторов на высоких частотах и в импульсном режиме (1 ч).

4. Конструкции гибридных и полупроводниковых интегральных схем. Особенности конструкции, характеристик и параметров интег-ральных элементов (1 ч).

5. Базовые ячейки аналоговых интегральных схем. Усилительные каскады аналоговых интегральных схем на биполярных и полевых транзисторах. Структура, основные параметры и приме-нение операционного усилич).

6. Электронные ключи на биполярных и МДП-транзисторах. Базовые логические элементы цифровых интегральных схем (2 ч).

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (6 ч)

1. Исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ.

2. Исследование операционного усилителя.

3. Исследование транзисторно-транзисторной логики.

7

 

КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

№ вар	№ схемы	Элементы схемы	Способ напыле- ния
R1 кОм	R2 кОм	R3 кОм	R4 кОм	С1 пФ	С2 пФ
1	1	5	10	10	100	100	-	Катодное
2	2	10	20	30	200	100	-	Термическое
3	3	10	10	10	-	30 000	-	Катодное
4	4	10	20	20	100	20 000	-	Термическое
5	5	20	20	20	40	5 000	2 500	Катодное
6	6	20	40	20	40	5 000	5 000	Термическое
7	7	10	10	10	-	500	20 000	Катодное
8	8	10	100	20	-	10 000	-	Термическое
9	9	10	1	100	-	10 000	10 000	Катодное
10	10	2	10	50	-	30 000	-	Термическое
11	11	20	4	100	100	10 000	10 000	Катодное
12	12	10	10	1	1	100	-	Термическое
13	13	10	10	100	100	100	-	Катодное
14	14	10	100	-	-	50 000	50 000	Термическое
15	15	10	100	100	-	100	-	Катодное
16	1	5	10	10	100	100	-	Термическое
17	2	10	20	30	200	100	-	Катодное
18	3	10	10	10	-	30 000	-	Термическое
19	4	10	20	20	100	20 000	-	Катодное
20	5	20	20	20	40	5 000	2 500	Термическое
21	6	20	40	20	40	5 000	5 000	Катодное
22	7	10	10	10	-	500	20 000	Термическое
23	8	10	100	20	-	10 000	-	Катодное
24	9	10	1	100	-	10 000	10 000	Термическое
25	10	2	10	50	-	30 000	-	Катодное
26	11	20	4	100	100	10 000	10 000	Термическое
27	12	10	10	1	1	100	-	Катодное
28	13	10	10	100	100	100	-	Термическое
29	14	10	100	-	-	50 000	50 000	Катодное
30	15	10	100	100	-	100	-	Термическое

Контрольное задание состоит из трех частей (трех са-мостоятельных заданий) и имеет 30 вариантов, различающихся исходными данными и условиями решаемых задач. Номер вы-полняемого варианта задания определяется суммой всех цифр номера зачетной книжки (если сумма цифр не превышает 30, номер варианта равен этой сумме, в противном случае для определения номера варианта из указанной суммы следует вычесть 30).