Конспект лекций «Элементная база РЭС» (стр. 9 )

Наибольшая многополюсность реализуется в поворотном способе управления.

При движковом способе управления как правило фиксация обеспечивается в 2х положениях.

Коммутационные устройства ручного управления могут быть как мгновенного действия (скорость переключения не зависит от скорости перемещения привода), так и обычного действия. К коммутационным устройствам мгновенного действия относят кнопки и тумблеры, выполненные на базе микропереключателей.

Основными параметрами коммутационных устройств ручного управления являются:

1. усилие или момент переключения

2. число положений переключения

3. способ фиксации;

4. Диапазоны коммутируемых напряжений, токов, мощностей;

5. Сопротивление контактов;

6. Сопротивление изоляции;

7. Максимальное число коммутаций;

8. Температура, атмосферные параметры, массогабаритные характеристики.

Кнопки – коммутирующие элементы, замыкающие контакты лишь во время нажатия на кнопку. При снятии усилия кнопка возвращается в исходное состояние. Таким образом, кнопка имеет одно фиксированное положение. С развитием цифровой техники кнопка стала основным коммутационным элементом (логическая 0 и 1).

Набор кнопочных переключателей, расположенных в линейку, позволяет создавать коммутационные устройства с большим числом положений при наличии группового функционирования кнопок.

Биполярные транзисторы интегральных микросхем

Вопрос. Особенности структур биполярных транзисторов полупроводниковых интегральных микросхем

БТ микросхем:

1. бескорпусные транзисторы (используются в конструкциях гибридных интегральных микросхем)

В силу технологических причин используются только кремниевые БТ (выполненные на кремниевой подложке). Наиболее широко применяются n-p-n транзисторы вследствие того, что подвижность электронов в базе обеспечивает боле широкие граничные частоты => более высокое быстродействие. Главное отличие БТ, используемых в микросхемах, от дискретных в том, что в полупроводниковой микроэлектронике используются дополнительные области, изолирующие транзистор от основной подложки. Все выводы транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Поэтому такая структура транзистора – планарная. Планарная структура позволяет соединять транзисторы между собой плёночными металлическими проводниками.

Требования к БТ, используемым в полупроводниковой микроэлектронике:

1. Площадь, занимаемая элементом на подложке должна быть минимально возможной (для повышения степени интеграции);

2. Конструкция и технология изготовление БТ должна обеспечивать возможность одновременного создания других элементов микросхемы, например диодов и полупроводниковых резисторов.

Конструкции БТ различаются прежде всего способами их изоляции.

Вопрос 2. Эпитоксиально-планарный транзистор с изоляцией p-n перехода

Транзистор выполнен на высокоомной подложке р--типа (1), на которой методом эпитаксии нанесён слой n-типа (2). Локальной диффузией донорных примесей (мышьяк или сурьма) в подложке перед наращиванием эпитаксиального слоя (2) создаётся скрытый слой (3). Мышьяк или сурьма используются для создания скрытого слоя в связи с тем, что они обладают малым коэффициентом диффузии. (стандартные легирующие материалы для кремния – бор или фосфор). Диффузией бора через маску формируют изолирующую область (боковые карманы) (4) p+-типа, окружающую с боковых сторон область (2) n+-типа. Базовая область (5) p-типа получают локальной диффузией бора. Локальная диффузия фосфора используется для формирования эмиттерной области (6). Плёнки диоксида кремния (8) создают контактные отверстия в оксиде кремния (9), через которые напылением плёнки алюминия формируют контакты (10) к эмиттеру, базе, коллектору. 11 – область транзистора (граница между n и p+ областью транзистора) 13 – граница…тоже какая-то граница.

Достоинства транзистора с p-n переходом:

+ простота технологии формирования изолирующих областей. Для их создания применяют те же самые ТП (фотолитография/диффузия), что и для получения основных областей транзистора.

Недостатки эпитаксиально-планарного транзистора с p-n переходом:

- изолирующий переход носит барьерную ёмкость, что снижает граничную частоту (аналоговые микросхемы), либо увеличивает задержку переключения логических микросхем.

- изолируюзие области р+-типа (4) занимают очень большую площадь кристалла, т. к. их ширина liz должна быть больше удвоенной толщины эпитаксиального слоя wn.

Вопрос 3. Транзисторы с диэлектрической изоляцией и транзисторы, созданные по изопланарной технологии

Транзистор с диэлектрической изоляцией.

Отличие этого транзистора состоит в том, что транзистор размещают в кармане, изолированном со всех сторон от подложки тонким слоем диоксида кремния.

+ Качество такой изоляции значительно выше, чем изоляция p-n перехода.

- Сложная технология создания диэлектрических карманов, которая не позволяет достичь большой степени интеграции.

Основным методом изоляции современных БТ является т. н. метод комбинированной изоляции, сочетающий изоляцию диэлектриком и p-n переходом, смещённым в обратном направлении. Существует большое количество биполярных микросхем с комбинированной изоляцией. Одной из наиболее распространённых являются транзисторы, выполненные по изопланарной технологии.

1) На поверхности пластины формируется маска из нитрида кремния.

2) Через эту маску производится травление эпитаксиального слоя на глубину более половины толщины этого слоя.

3) Производится термическое окисление кремния. Особенность этого процесса в том, что в получаемой структуре SiO2 кремний берётся из подложки, а кислород из атмосферы. Слой диоксида кремния растёт как вниз, так и вверх, поэтому после окисления восстанавливается почти плоская поверхность пластины.

Достоинства изопланарной структуры:

+ при одинаковой площади эмиттерных переходов общая площадь изопланарного транзистора гораздо меньше, чем площадь эпитаксиально-планарного транзистора. Уменьшение площади, занимаемой изопланарным транзистором, достигается:

1) за счёт использования изолирующих карманов SiO2

2) более тонкий эпитаксиальный слой.

Поэтому такие транзисторы широко используются для создания сверхбольших интегральных схем.

Вопрос 4. Многоэмиттерные транзисторы

Многоэмиттерные транзисторы отличаются от рассмотренных выше одноэмиттерных тем, что в базовой области р-типа создают несколько эмиттерных областей n+-типа. Основная область применения многоэмиттерных транзисторов – цифровые микросхемы ТТЛ логики. Многоэмиттерный транзистор можно представить в виде совокупности отдельных n-p-n транзисторов.

в – вид сверху на этот транзистор, г – условное обозначение на схеме

Центральное контактное отверстие (3) в базовой области предназначено для выравнивания потенциалов базовых областей. Заштрихованные участки – металлизация.

Вопрос 5. Транзистор с диодом шоттки

Конструкция очень напоминает изопланарную конструкцию. В отличие от изопланарного транзистора, базовое контактное окно расширено в сторону коллекторной области n-типа.

Второе отличие – нет перемычки из SiO2 между коллекторной и базовой областью.

Слой алюминия, расположенный в контактном окне базы, образует с высокоомной коллекторной областью выпрямляющий контакт – диод Шотки. В результате схема полученной структуры представлена на рисунке б).

РИС

Благодаря использованию диода шоттки уменьшается время работы транзистора в выпускном режиме. Основная область применения транзисторов с диодом Шотки – цифровые микросхемы с повышенным быстродействием (больше, чем без диодов Шоттки – в 2..5 раз).

МОП транзисторы в интегральных микросхемах

+ (относительно БТ) меньший уровень энергопотребления (мощность)

- меньшее быстродействие

Наиболее распространены МОП транзисторы с каналом n-типа. Кроме того, имеются т. н. комплементарные МОП микросхемы, в которых каждый элемент состоит из 2х транзисторов: одного n-канального, второго р-канального. n-канальные транзисторы имеют более высокую граничную частоту, чем р-канальные вследствие того, что электроны имеют большую подвижность, чем дырки. В большинстве случаев в микроэлектронике используются транзисторы с горизонтальным каналом, т. е. канал параллелен поверхности пластины, однако существуют транзисторы и с вертикальным каналом, образующиеся на стенках вытравленных каналов. В отличие от БТ, МОП транзисторы можно создавать в тонких слоях кремния, нанесённых на диэлектрическую подложку (например сапфировых).

Транзисторы с каналом n-типа и самосовмещённым затвором

С – сток, И – исток, З – затвор.

1 – область истока, 2 – область стока, 3 – контакт электрический к истоку (Al) 4 – то же самое к стоку, 5 – окно контакта к поликремнию затвора для контакта алюминиевого проводника (на рисунке а не показан), 6 – SiO2, 7 – затвор (поликремний), 8 – алюминиевый проводник, подводящий контакт к затвору (на рис а не показан), 9 – канал (длиной L), 11 – SiO2 (изолирующая область), 13 – легированная изолирующая область (p+).

Самосовмещённый затвор означает, что область затвора является маской при создании легированных областей истока и стока (1 и 2).

Транзистор создаётся на слаболегированной подложке р-типа. Области 1 и 2 n+-типа – исток и сток. Соседние транзисторы разделяются толстым слоем окисла (11).

МОП транзистор имеет 4 электрода: сток, исток, затвор, подложка. Участок проводника, соединяющийся с электродами – канал. Мы нарисовали конструкцию с индуцированным каналом, т. е. при 0 напряжении на затворе канал отсутствует. Кроме индуцированного канала существует т. н. встроенный канал, т. е. канал в тонком приповерхностном слое образуется в результате легирования. Мы нарисовали транзистор с каналом n-типа. Обозначение на схеме для р-типа: