Elektronikos įtaisai bei jų gamybos procesai

ĮVADAS Vystantis elektronikos pramonei, elektrinės schemos tampa vis sudėtingesnės, o radioelektroniniai prietaisai atlieka vis daugiau funkcijų. Padidinti šių prietaisų patikimumui ir sumažinti jų gabaritams bei energijos sąnaudoms, panaudojami integriniai grandynai. Integriniai grandynai gaminami taikant daugelį sudėtingų technologinių procesų. Vienas tokių procesų yra terminė difuzija. Viena kone svarbiausių radioelektroninės aparatūros grandžių yra filtrai. Pastaruoju metu vis labiau populiarėja paviršinių akustinių bangų (PAB) filtrai. PAB filtrai įgijo pripažinimą dėl jų gerų selektyviųjų savybių bei mažų gabaritų, kas ypač svarbu taikant juos integriniuose grandynuose. Šiame darbe aptarsiu terminės difuzijos procesą, jo parametrų priklausomybę nuo laiko ir temperatūros, pn sandūros gylio priklausomybę nuo temperatūros, o taip pat priemaišų pasiskirstymą tranzistoriuje. Antroje dalyje aptarsiu akustinio bangų filtro projektavimą. Išnagrinėsiu šio filtro sandarą, jo sudarymo metodiką, bei dažninę amplitudės charakteristiką, pagal kurią nustatomas filtro pralaidumo juostos plotis. 1. Difuzijos proceso tyrimas Difuzija vadinamas kryptingas medžiagos dalelių skverbimasis jų tankio mažėjimo link dėl jos dalelių chaotiškojo judėjimo. Gaminant puslaidininkinius įtaisus ir puslaidininkinius integrinius grandynus, difuzijos reiškinys panaudojamas puslai­dininkių legiravimui. Aukštoje temperatūroje difuzijos būdu įterpus į paviršinį puslaidininkio sluoksnį priemaišų, galima pakeisti to sluoksnio laidumo tipą arba sudaryti lokalias kitokio laidumo sritis. 1.1. Apskaičiuoti ir nubraižyti priemaišų pasiskirstymą po priemaišų įterpimo etapo. Duomenys: 1 lentelė Difuzijos koeficientas (cm2/s) 10–13 Proceso trukmė (min) 10,14,17 Terminė priemaišų difuzija vyksta dėl difunduojančios medžia­gos – difuzanto – koncentracijos gradiento. Priemaišų atomai aukštoje temperatūroje į kietuosius kūnus gali skverbtis keliais būdais: užimdami vakansijas, prasisprausdami tarp atomų ir pasikeisdami vietomis su gretimais atomais (1pav.). Tikimiausias yra priemaišų skverbimasis per vakancijas. 1.1 pav. Priemaišos atomų skverbimasis per vakansijas (a), tarpmazgius (b) ir pasikeičiant vietomis su kitais atomais (c) Difuzijos proceso greitį apibūdina difuzijos koeficientas D. Šis koeficientas labai priklauso nuo temperatūros T. Kylant temperatūrai, difuzijos koeficientas sparčiai didėja. Priklausomybė išreiškiama Arenijaus lygtimi: (1.1) čia – proporcingumo koeficientas; – difuzijos proceso akty­vacijos energija; – Bolcmano konstanta; – difuzijos proceso temperatūra. Difuzijos teorija pagrįsta dviem dėsniais, kuriuos 1855 metais suformulavo šveicarų mokslininkas A. Fikas (Fick). Praktikoje pasitaikančias priemaišų difuzijos sąlygas gana gerai atitinka du paprasti teoriniai modeliai: difuzija iš begalinio šaltinio ir difuzija iš riboto šaltinio. Vykstant difuzijai iš begalinio šaltinio, priemaišų koncentracija kristalo paviršiuj nekinta. Kuo didesnis gylis, tuo mažesnė priemaišų koncentracija. Tam tikrame gylyje, kol vyksta difuzija, priemaišų koncentracija didėja. Nuo difuzijos proceso temperatūros ir trukmės priklauso legiravimo dozė – skaičius priemaišos atomų, praėjusių pro vienetinį padėklo paviršiaus plotą per difuzijos laiką. Vykstant difuzijai iš riboto šaltinio, priemaišos atomai pro padėklo paviršių nesiskverbia, ir legiravimo dozė nekinta. Todėl prie padėklo paviršiaus priemaišos koncentracija mažėja, gilumoje-auga. Difuzijos šaltinis yra begalinis ( arba neišsenkantis ), jei priemaišų koncentracija kristalo paviršiuje nekinta – tai yra const, kai ir atsižvelgus į pradinę sąlygą , kai ir , bei ribinę sąlygą , kai ir , gaunamas toks antrosios Fiko diferencialinės lygties sprendinys: (1.2) čia erfc- papildoma paklaidų funkcija, išreiškiama formule: . (1.3) Įrašius(3) išraišką į (2), gauname: (1.4) Priemaišos koncentracijos pasiskirstymą lemia difuzijos koeficientas (proceso temperatūra ) ir difuzijos proceso trukmė Turėdami pradinius duomenis, ir pasinaudodami matematinių sakičiavimų programa Matlab6.5 gauname tokį priemaišų pasiskirstymą po priemaišų įterpimo etapo: 1.2 pav. Priemaišų pasiskirstymas, kai difuzija vyksta iš begalinio šaltinio Išvados: Grafike yra pavaizduotas priemaišų pasiskirstymas, kai difuzija vyksta iš nesenkančio šaltinio. Jame yra trys kreivės: vykstant difuzijai iš nesenkančio šaltinio, didesniame gylyje priemaišos tankis yra mažesnis. Tam tikrame gylyje, kol vyksta difuzija, priemaišos koncentracija didėja. Jei difuzijos procesas vyktų pakankamai ilgai, priemaišos koncentracija bet kuriame gylyje taptų tokia, kaip paviršiuje. 1.2. Apskaičiuoti ir nubraižyti, kaip priemaišų įterpimo etape kinta priemaišos srauto tankis ir legiravimo dozė. Nuo difuzijos proceso temperatūros ir trukmės priklauso ir legiravimo dozė Q - skaičius priemaišų atomų, praėjusių pro vienetinį padėklo paviršiaus plotą per difuzijos laiką t. (1.6) Pagal 1.6 ir 1.4 gausime: (1.7) Suintegravę priemaišų atomų srautą pro vienetinio ploto padėklo paviršių, gauname legiravimo dozę: (1.8) Praktikoje terminės priemaišų difuzijos procesą dažniausiai sudaro dvi stadijos. Difuzija iš neišsenkamo šaltinio vyksta pirmojoje - priemaišų įvedimo stadijoje. Šioje stadijoje žemesnėje temperatūroje į ploną paviršinį kristalo sluoksnį įvedamas reikiamas priemaišų kiekis. Antrojoje - priemaišų perskirstymo stadijoje, aukštesnėje temperatūroje, suformuojamas reikiamas priemaišų koncentracijos profilis. Duomenys: 2 lentelė Difuzijos koeficientas (cm2/s) 1·10–13 Priemaišų koncentracija (1/cm3) 6·1020 Priemaišų srauto tankio ir legiravimo dozės kitimas, priemaišų įterpimo etape, apskaičiuojamas pagal formules. ; D – difuzijos koeficientas (cm2/s); t – laikas (min); N0 – priemaišų koncentracija bandinio paviršiuje (1/cm3); x – koordinatė; D = D0exp( –Wa/kt) Wa – difuzijos proceso aktyvacijos energija (eV); k – Bolcmano konstanta; 1.3 pav. J(t) – difuzinio srauto tankio priklausomybė nuo t 1.4 pav. Q(t) – legiravimo dozės priklausomybė nuo t Išvados: Iš 1.3. pav. matome, kad prasidėjus priemaišos įterpimo procesui srauto tankis sparčiai mažėja. Laikui bėgant srauto tankio mažėjimas silpnėja ir tampa beveik pastovus. Tuo tarpu legiravimo dozė didėja bėgant laikui. Taip yra todėl, kad priemaišos į plokštelę skverbiasi per joje esančias vakansijas arba tarpmazgius. Didėjant legiravimo dozei, mažėja laisvų vakansijų ir tarpmazgių, todėl mažėja ir atomų, prasiskverbiančių į plokštelę per tam tikrą laiko tarpą, skaičius. Legiravimo dozės Q ir srauto tankio J priklausomybė nuo laiko kinta pagal eksponentinį dėsnį, tik jų kitimai atvirkščiai proporcingi. 1.3. Apskaičiuoti ir nubraižyti priemaišų pasiskirstymą po priemaišų įterpimo etapo Duomenys: 3 lentelė Legiravimo dozė (1/cm2) 1013 Difuzijos koeficientas (cm2/s) 10–13 Proceso trukmė (min.) 87,75,13 Praktikoje terminės priemaišų difuzijos procesą dažniausiai sudaro dvi stadijos. Difuzija iš nesenkančio šaltinio vyksta pirmojoje – priemaišų įterpimo stadijoje. Šioje stadijoje į ploną paviršinį kristalo sluoksnį įvedamas reikiamas priemaišų kiekis. Antrojoje – priemaišų perskirstymo stadijoje, aukštesnėje temperatūroje suformuojamas reikiamas priemaišų koncentracijos profilis. Dažnai antrojoje difuzijos stadijoje atliekamas ir paviršiaus oksidavimas. Todėl antrojoje stadijoje priemaišų atomai per padėklo paviršių neprasiskverbia ir legiravimo dozė nekinta. Tada difuzija vyksta iš riboto šaltinio – pirmojoje stadijoje legiruoto paviršinio sluoksnio. Šiomis sąlygomis antrosios Fiko diferencialinės lygties sprendinys išreiškiamas formule: ; (1.8) čia – priemaišos difuzijos koeficientas priemaišų perskirstymo etape, – šio etapo trukmė; Q - legiravimo dozė; x – koordinatė. Ši formulė atitinka Gauso (Gauss), arba normalųjį pasiskirstymą. Pagal (1.8) formulę randame priemaišų pasiskirstymą po priemaišų perskirstymo etapo. Pasiskirstymo kreivės atvaizduotos 1.5 paveiksle. 1.6 pav. Priemaišų pasiskirstymas kai difuzijos šaltinis ribotas, kai proceso rukmė t3 > 1 ir be to, apkrovos varža didesnė už tranzistoriaus įėjimo varžą, tai grandinėje galimas didelis kintamosios įtampos stiprinimas. Šiuo atveju, prie dvipolio tranzistoriaus prijungus 98 Ω apkrovos varžą, žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientas KU = 15,98 , t.y. tranzistoriaus išėjime įtampa yra beveik 15,98 kartų didesnė nei įėjime. 3. Lauko tranzistoriaus tyrimas Lauko tranzistoriai (kitaip dar vienpoliai tranzistoriai) – tai tranzistoriai, kuriuose srovę sukuria specialiai sudaryto kanalo pagrindiniai krūvininkai. Srovę valdo statmenas srovės krypčiai elektrinis laukas. Lauko tranzistoriaus n arba p kanalo (angl. – channel) gale sudaromi du elektrodai. Elektrodas, per kuri į kanalą patenka pagrindiniai krūvininkai, vadinamas ištaka (source). Elektrodas, per kuri pagrindiniai krūvininkai išteka, vadinamas santaka (drain). Kanale tekanti srovė valdo trečiojo tranzistoriaus elektrodo – užtūros (gate) – įtampa. Pagal užtūros tipą lauko tranzistoriai skirstomi i lauko tranzistorius su valdančiosiomis pn sandūromis (sandūrinius lauko tranzistorius) ir lauko tranzistorius su izoliuotąja užtūra. Pastarieji tranzistoriai yra MDP arba MOP tranzistoriai. MDP tranzistoriai būna su indukuotuoju kanalu arba su pradiniu kanalu. Pagal kanalo veikos pobūdį jie skirstomi i praturtintosios veikos lauko tranzistorius ir nuskurdintosios veikos lauko tranzistorius. Taigi yra daug lauko tranzistorių atmainų. 3.1 pav. pateiktos lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikos. Tranzistoriaus UGS = 0,5 V, UDS = 12 V – tai mano darbo taškas. 3.1 pav. Lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikos 3.1. Nubraižyti lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikas, kai UDS = 4, 8, 12 V. Perdavimo charakteristikas (3.2 pav.) braižome naudodamiesi išėjimo charakteristikomis (3.1 pav.), kurios reikšmės surašytos į lentelę. 5 lentelė UGS, V Id, mA, kai UDS = 4 V Id, mA, kai UDS = 8 V Id, mA, kai UDS = 12 V 0 16 16,5 17 0,5 10,8 11 11,2 1 6,7 6,9 7 1,5 3,3 3,4 3,5 2 0,8 0,9 1 3.2 pav. Perdavimo charakteristikos, kai UDS = 4, 8, 12 V Išvados: Naudojantis išėjimo charakteristika, ID priklausomybė nuo UDS, braižoma perdavimo charakteristika (ID priklausomybe nuo UGS). Kol tranzistorius veikia tiesiniu režimu, jo santakos srovė priklauso nuo užtūros ir santakos įtampų. Išėjimo charakteristikų lėkštosios dalys atitinka soties režimą. Esant soties režimui, santakos srovė priklauso tik nuo užtūros įtampos. Nežymus srovės ID stiprėjimas (tai matome 3.2 pav.), kylant įtampai UDS, paaiškinamas tuo, kad pasiekus sotį, dėl sandūrų plėtimosi trumpėja kanalas ir mažėja jo varža. 3.2. Apskaičiuosime lauko tranzistoriaus parametrus duotajame darbo taške: Pagrindiniai lauko tranzistoriaus parametrai: S – statumas Ri – išėjimo varža kintamajai srovei. Statumas S = gm yra apskaičiuojamas iš perdavimo charakteristikų, o išėjimo varža Ri iš įėjimo charakteristikų. Statumui apskaičiuoti naudojama sekanti formulė: mA/V, o išėjimo varžai štai ši: kΩ. Išvados: Įjungto pagal bendrosios ištakos schemą lauko tranzistoriaus įėjimo varža labai didelė, o įėjimo srovė labai silpna. Duotajame darbo taške, lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumas yra gm = 10 mA/V, o išėjimo varža 16 kΩ. Norint padidinti statumą ir gauti didesnį stiprintuvo stiprinimo koeficientą, tranzistoriaus darbo tašką reikia parinkti taip, kad santakos srovė būtų didesnė. 3.3. Sudaryti lauko tranzistoriaus ekvivalentinės grandinės schemą: 3.3 pav. Lauko tranzistoriaus ekvivalentinė П pavidalo schema 3.4. Apskaičiuoti fT, kai C11 = 4 pF ir C12 = 8 pF Dažnis, kuriam esant lauko tranzistorius nustoja stiprinti srovę, kaip ir dvipolių tranzistorių atveju, žymimas fT. Šį dažnį apskaičiuosime pagal formulę: C11 – įėjimo talpa, kai tranzistoriaus išėjimo grandinėje sudarytos trumpojo jungimo sąlygos, C12 – pereinamoji talpa. C22 – išėjimo talpa, kai įėjimo grandinėje sudarytos trumpojo jungimo sąlygos. Kadangi gm = S, CUS = C12 = 8 pF, CUI = C11 – C12 tai turime: MHz Išvados: Lauko tranzistoriaus dažnines savybes lemia jo talpų CUS ir CUI perkrovimo procesas. Perkrovos srovę riboja kanalo varža 1/gm. Tranzistoriaus dažnines savybes lemia laiko konstanta, kuri yra lygi krūvininkų lėkio kanale trukmei. Siekiant padidinti fT, o taip pat pagerinti tranzistoriaus dažnines savybes, reikia trumpinti kanalo ilgį ir didinti krūvivinkų judrumą. Duotuoju atveju, srovės stiprinimo koeficientas sumažėja iki 1, kai dažnis pasiekia 398,09 MHz. 3.5. Apskaičiuoti kintamąją išėjimo srovę, kai kintamosios įtampos amplitudė yra 95 mV: mV, , mA. Išvados: Nagrinėdami lauko tranzistorių kaip tiesinį aktyvujį keturpolį, vietoje įtampų ir srovės pokyčių galime nagrinėti įtampų ir srovių kintamąsias dedamąsias. Prijungus 95 mV amplitudės kintamąją įtampą, tranzistoriaus išėjimo srovės dedamoji bus lygi 0,95 mA. 3.6. Rasime žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientą, kai apkrovos varža lygi 256 Ω: Ra = 256 Ω, , , , . Išvados: Prijungus prie lauko tranzistoriaus 256 Ω apkrovos varžą, žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientas KU  lygus 2,56 t.y. lauko tranzistoriaus išėjimo įtampa yra 2,56 karto didesnė nei įėjimo įtampa. Iš gautos stiprinimo koeficiento formules matome, jog didėjant lauko tranzistorius apkrovos varžai, didėja ir įtampos stiprinimas 4. PAB juostinio filtro projektavimas Mažame puslaidininkiniame integriniame grandyne telpa daug elementų. Pagrindiniai puslaidininkinio integrinio grandyno (IG) elementai – tai tranzistoriai, diodai, rezistoriai, nedidelės talpos kondensatoriai. Induktyvumo elementus integruoti į puslaidininkinius IG sunku. Kai buvo sukurti puslaidininkiniai IG, iškilo filtrų, vėlinimo linijų ir kitų elektroninės aparatūros komponentų, kuriems reikėjo induktyvumo elementų, miniatiūrizavimo problema. Sprendžiant šią problemą susiformavo nauja funkcinės elektronikos kryptis – akustinė elektronika. Akustinė elektronika yra viena iš funkcinės elektronikos krypčių. Funkcinės elektronikos įtaisuose informacija apdorojama remiantis ne tradiciniais schemotechniniai sprendimais, o naujai atskleistais fizikiniais reiškiniais. Akustinės elektronikos įtaisuose signalams apdoroti panaudojami akustiniai virpesiai ir bangos. Paviršinių akustinių bangų elektriniai filtrai dažniausiai būna sudaromi pagal schemą įėjimo keitiklis – garsolaidis – išėjimo keitiklis. (4.1 pav.). Filtro dažnines savybes lemia keitikliai. Keitiklyje susižadina dvi priešingomis kryptimis sklindančios paviršinės akustinės bangos. Parinkus tinkamą keitiklio impulsinės charakteristikos gaubtinės formą (taikant svertį), galima pagerinti selektyvumą – sumažinti slopinimą pralei­džiamųjų dažnių juostoje ir padidinti slopinimą už jos ribų. Jeigu reikalingas labai didelis selektyvumas (

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!