Elektronikos įtaisų bei jų gamybos procesų modeliavimas ir tyrimas

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 1.1 Apskaičiuoti ir nubraižyti priemaišos pasiskirstymą po priemaišų įterpimo etapo Praktikoje naudojamus terminės priemaišų difuzijos režimus gana gerai atitinka du paprasti teoriniai modeliai: difuzija iš neišsenkančio (begalinio) šaltinio ir difuzija iš riboto šaltinio. Laikoma, kad difuzijos šaltinis yra neišsenkantis, jei priemaišų koncentracija kristalo paviršiuje nekinta, t.y., jei N (0,t) = N0 = const, kai t  0. Atsižvelgus į pradinę sąlygą N(x,t) = 0, kai x > 0 ir t = 0, bei ribinę sąlygą N(x,t) = 0, kai x   ir t  0 , gaunamas toks antrosios Fiko diferencialinės lygties sprendinys: (1.4) čia: erfc - papildoma paklaidų funkcija (error function complement), išreiškiama formule : (1.5) Pagal (1.4) priemaišų koncentracijos pasiskirstymą lemia difuzijos koeficientas D (proceso temperatūra T) ir difuzijos proceso trukmė t. Priemaišų koncentracijos profilio kitimą vaizduoja 1.1 paveikslo kreivės. 1.1 pav. Priemaišų koncentracijos pasiskirstymo kitimas, vykstant difuzijai iš neišsenkančio šaltinio: 1 – Dt = 0 ; 2 – Dt = (Dt)1 ; 3 – Dt = (Dt)2 > (Dt)1; 4 – Dt   1.1 paveiksle matyti, kad, vykstant difuzijai iš neišsenkančio šaltinio, didesniame gylyje priemaišų koncentracija mažesnė. Tam tikrame gylyje, kol vyksta difuzija, priemaišų koncentracija didėja. Jei difuzijos procesas truktų pakankamai ilgai, priemaišų koncentracija bet kuriame gylyje taptų tokia pat kaip paviršiuje. Pradiniai duomenys: 1 lentelė Difuzijos koeficientas (cm2/s) 10–13 Proceso trukmė (min) 11,13,16 Pirmame difuzijos etape laikoma, kad priemaišų įterpimas vyksta iš neišsenkančio šaltinio. Todėl, priemaišų pasiskirstymas apskaičiuojamas pagal formulę. ; D – difuzijos koeficientas (cm2/s); t – laikas (min); N0 – priemaišų koncentracija bandinio paviršiuje; x – koordinatė; D = D0exp( –Wa/kt) ; Wa – difuzijos proceso aktyvacijos energija (eV); k – Bolcmano konstanta; 1.2 pav. Priemaišų pasiskirstymas, kai difuzija vyksta iš begalinio šaltinio, kai proceso rukmė t1 (Dt)1; 3 – Dt = (Dt)3 > (Dt)2; Pradiniai parametrai: 3 lentelė Legiravimo dozė (1/cm2) 2·1013 Difuzijos koeficientas (cm2/s) 2·10–13 Proceso trukmė (min.) 89,74,15 Priemaišų pasiskirstymas po jų perskirstymo, skaičiuojamas kaip priemaišų difuzija iš riboto šaltinio. Naujos priemaišos neįterpiamos, o persiskirstomos jau esančios. Šis priemaišų pasiskirstymas apskaičiuojamas pagal formulę: Q – legiravimo dozė (1/cm3); D – difuzijos koeficientas (cm2/S); t – proceso trukmė (min); D = D0exp( –Wa/kt) ; Wa – difuzijos proceso aktyvacijos energija (eV); k – Bolcmano konstanta; 1.6 pav. priemaišų pasiskirstymas kai difuzijos šaltinis ribotas, kai proceso rukmė t1 > 1 ir be to, apkrovos varža didesnė už tranzistoriaus įėjimo varžą, tai grandinėje galimas didelis kintamosios įtampos stiprinimas. Šiuo atveju, prie dvipolio tranzistoriaus prijungus 14852 Ω apkrovos varžą, žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientas KU = 59,2 , t.y. tranzistoriaus išėjime įtampa yra beveik 59,2 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 = 10 V – tai mano darbo taškas. 3.1 pav. Lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikos 3.1 Nubraižyti lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikas, kai UDS = 6, 10, 14 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 = 6 V Id, mA, kai UDS = 10 V Id, mA, kai UDS = 14 V 0 16 16,9 17,8 0,5 11 11,2 11,6 1 7 7,2 7,4 1,5 3,5 3,6 3,7 2 0,8 0,9 1 3.2 pav. Perdavimo charakteristikos, kai UDS = 6, 10, 14 V Išvados: Naudojantis išėjimo charakteristika, ID priklausomybė nuo UDS, brėžoma 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 = 9,7 mA/V, o išėjimo varža 13,33 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 = 6 pF ir C12 = 11 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 = 11 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 257,43 MHz. 3.5 Apskaičiuoti kintamąją išėjimo srovę, kai kintamosios įtampos amplitudė yra 193 mV: mA, , mA. Išvados: Nagrinėdami lauko tranzistorių kaip tiesinį aktyvujį keturpolį, vietoje įtampų ir srovės pokyčių galime nagrinėti įtampų ir srovių kintamąsias dedamąsias. Prijungus 193 mV amplitudės kintamąją įtampą, tranzistoriaus išėjimo srovės dedamoji bus lygi 1,872 mA. 3.6 Rasime žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientą, kai apkrovos varža lygi 231 Ω: Ra = 234 Ω, , , , . Išvados: Prijungus prie lauko tranzistoriaus 231 Ω apkrovos varžą, žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientas KU  lygus 2,241 t.y. lauko tranzistoriaus išėjimo įtampa yra 2,241 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!