Elektronikos įtaisų ir jų gamybos procesų modeliavimas ir analizė

Įvadas Elektronika – tai mokslo ir technikos šaka, tirianti ir praktiškai naudojanti reiškinius, kurie vyksta judant krūvininkams įvairioje aplinkoje. Elektronikos gaminiai dabar naudojami beveik visose žmogaus veiklos srityse. Plačiausiai jie taikomi informacijos perdavimo ir apdorojimo grandinėse. Mikroelektronika – plati šiuolaikinės elektronikos sritis, aprėpianti mikroelektronikos gaminių – integralinių mikroschemų – tyrimą, konstravimą, gamybą ir taikymą. Integralinė mikroschema (dar vadinama integraline schema arba tiesiog mikroschema) – signalams apdoroti skirtas mikroelektronikos gaminys, kurio elementai ir juos jungiantieji laidūs takeliai suformuoti vienu technologinių procesų ciklu ir sudaro nedalomą visumą. Integralinės schemos skirstomos į sluoksnines, hibridines ir puslaidininkines. Sukūrus tranzistorių gamybos technologiją, atsirado galimybės realizuoti grupinius tranzistorių gamybos metodus – apdorojant vieną puslaidininkinę plokštelę, gaminti didelį tranzistorių skaičių. Be to, susidarė prielaidos sukurti puslaidininkinę integralinę schemą (IS). Elektroninės aparatūros ir kompiuterizuotų informacinių sistemų pagrindą sudaro puslaidininkiniai integriniai grandynai (IG). Integrinių grandynų gamybai plačiai taikomas priemaišų difuzijos mechanizmas. Šiame darbe atliksiu terminės difuzijos proceso tyrimą, dvipolio tranzistoriaus parametrų skaičiavimą ir ekvivalentinės grandinės schemos sudarymą, lauko tranzistoriaus parametrų skaičiavimą ir ekvivalentinės grandinės schemos sudarymą, PAB filtro projektavimą, atliksiu reikalingus skaičiavimus ir matavimus . . 1. Difuzijos proceso tyrimas 1.1 Apskaičiuoti ir nubraižyti priemaišų pasiskirstymą po priemaišų įterpimo etapo. Pradiniai parametrai: Difuzijos koeficientas (cm2/s) 1*10-13 Proceso trukmė (min.) 16; 3; 7 Difuzija – vadinamas kryptingas medžiagos sklidimas koncentracijos mažėjimo link dėl jos dalelių chaotiško judėjimo.Terminė priemaišų difuzija vyksta dėl difunduojančios medžia­gos – difuzanto – koncentracijos gradiento. Priemaišos koncentracijos pasiskirstymą lemia difuzijos koeficientas D, jis apskaičiuojamas pagal formulę: ; čia – proporcingumo koeficientas; – difuzijos proceso akty­vacijos energija; – Bolcmano konstanta; – difuzijos proceso temperatūra. Praktikoje sutinkami, priemaišų difuzijos sąlygas gana gerai atitinkantys, du paprasti teoriniai modeliai: difuzija iš nesenkančio šaltinio ir difuzija iš riboto šaltinio. Nagrinėjant priemaišų įterpimą, yra laikoma, kad difuzija vyksta iš begalinio šaltinio. Laikome, kad difuzijos šaltinis yra neišsenkantis, jei priemaišos koncentracija kristalo paviršiuje nekinta, t.y., const, kai ir atsižvelgus į pradinę sąlygą , kai ir , bei ribinę sąlygą , kai ir , gaunamas toks antrosios Fiko diferencialinės lygties sprendinys: . Taigi, panaudojus pateiktus duomenis, gaunasi toks priemaišų pasiskirstymas po priemaišų įterpimo etapo: 1 pav. Priemaišų pasiskirstymas, kai difuzija vyksta iš begalinio šaltinio 1 pav. matyti, kad, vykstant difuzijai iš begalinio 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. Didinant laiko trukmę, vis daugiau priemaišų atomų įsiskverbia į plokštelę – tai rodo antra ir trečia kreivės, jų koncentracija viršija plokštelės medžiagos atomų koncentracija. Padidinus laiką iki begalybės, priemaišų koncentracija visame gylyje taptų vienoda. 1.2 Apskaičiuoti ir nubraižyti, kaip priemaišų įterpimo etape kinta priemaišos srauto tankis ir legiravimo dozė. Pradiniai parametrai: Difuzijos koeficientas (cm2/s) 210-13 Priemaišų koncentracija (1/cm3) 81020 Nuo difuzijos proceso temperatūros ir trukmės priklauso ir legiravimo dozė Q – skaičius priemaišų atomų, praėjusių pro vienetinį padėklo paviršiaus plotą per difuzijos laiką t. Žinodami , galime rasti difuzijos srauto tankį. Taikydami pirmąjį Fiko dėsnį, galime rašyti: . Suintegravę priemaišos atomų srautą per vienetinio ploto padėklo paviršių, gauname legiravimo dozę: . Taigi, gautos kreivės pavaizduotos 2 ir 3 paveiksluose: 2 pav. J(t) - difuzinio srauto tankio priklausomybė nuo t 3 pav. Q(t) - legiravimo dozės priklausomybė nuo t Iš gautų priklausomybių (2 ir 3 pav.) matyti, kad laikui bėgant legiravimo dozė didėja, nes vis daugiau priemaišų prasiskverbia į puslaidininkio plokštelę. Priemaišų srauto tankis kinta atvirkštiniu dėsniu. Laikui bėgant tankis mažėja, nes 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 dozė Q ir srauto tankis J kinta pagal eksponentinį dėsnį, tik jų kitimai atvirkščiai proporcingi. 1.3 Apskaičiuoti ir nubraižyti priemaišų pasiskirstymą po priemaišų perskirstymo etapo. Pradiniai parametrai: Legiravimo dozė (1/cm2) 11013 Difuzijos koeficientas (cm2/s) 110-13 Proceso trukmė (min.) 81; 86; 7 Labai dažnai antroji difuzijos stadija vykdoma kartu su paviršiaus oksidinimu. Todėl antrojoje stadijoje priemaišų atomai pro padėklo paviršių neprasiskverbia, ir legiravimo dozė nekinta. Tada difuzija vyksta ir riboto šaltinio – pirmojoje stadijoje legiruoto paviršinio sluoksnio. Šiomis sąlygomis antrosios Fiko diferencialinės lygties sprendinys išreiškiamas formule: čia Q - legiravimo dozė; D - difuzijos koeficientas; t - proceso trukmė; x – koordinatė. Gautos kreivės pavaizduotos 4 paveiksle: 4 pav. Priemaišų pasiskirstymas kai difuzijos šaltinis ribotas Iš 4 pav. matyti, kad didėjant laiko trukmei, priemaišų koncentracija gilesniuose sluoksniuose didėja. Be to dar galime pastebėti, kad priemaišų koncentracija x koordinatės ašimi kinta tiesiniu dėsniu. To negalime pasakyti apie priemaišų pasiskirstymą esant begaliniam difuzijos šaltiniui. 1.4 Apskaičiuoti ir nubraižyti priemaišų pasiskirstymą tranzistoriuje, formuojamame dvikartės difuzijos būdu. Pradiniai parametrai: Pradinė priemaišų koncentracija (1/cm3) 81020 Stadijos Įterpimas Perskirstymas Įterpimas Priemaišų koncentracija (1/cm3) 11019 - 21021 Nominali temperatūra (0C) 1000 1000 1000 Aktyvacijos energija (eV) 3,4 4,9 3,5 Difuzijos koeficientas (cm2/s) 110-13 110-13 110-13 Stadijos trukmė (min.) 26 77 24 Faktinė temperatūra (0C) 958 1094 931 Priemaišų įterpimo iš begalinio šaltinio pasiskirstymas apskaičiuojamas pagal formulę: ; čia D - difuzijos koeficientas; t - laikas; N0 - priemaišų koncentracija bandinio paviršiuje. Priemaišų pasiskirstymas po įterpimo etapo skaičiuojamas pagal formulę: ; čia Q – legiravimo dozė; D - difuzijos koeficientas; t - proceso trukmė; x - koordinatė. Gauta kreivė pavaizduota 5 paveiksle: 5 pav. Priemaišų pasiskirstymas tranzistoriuje, formuojamame dvikartės difuzijos būdu Dvikartę difuziją sudaro du etapai: priemaišų įvedimas ir priemaišų perskirstymas. Įvedimą atitinka difuzija iš begalinio šaltinio. Tolstant nuo paviršiaus, priemaišų koncentracija mažėja. Dideliame gylyje priemaišų koncentracija nekinta, nes priemaišos neprasiskverbia į tokį gylį. 2. Dvipolio tranzistoriaus parametrų skaičiavimas ir ekvivalentinės grandinės schemų sudarymas 6 pav. Dvipolio tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo charakteristikos 6 pav. pateiktos pagal bendrojo emiterio schemoje įjungto dvipolio tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo charakteristikos. Tranzistoriaus IB = 0,1 mA, UCE = 12 V, fT = 0,6 GHz; 2.1 Rasti dvipolio tranzistoriaus h parametrus: Kalbant apie dvipolio tranzistoriaus parametrus, tai jų yra kelių tipų Z ar Y parametrai, tačiau praktikoje dažniausiai naudojami h parametrai, visų pirma todėl, kad juos lengviau pavyksta išmatuoti. Yra dar kitas h parametrų sistemos privalumas: į šią sistema tiesiogiai įeina pagrindinis tranzistoriaus parametras – srovės perdavimo koeficientas. Parametrai (tranzistoriaus įėjimo varža) ir (įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas) randami iš įėjimo charakteristikų šeimos. Nurodyto darbo taško Q aplinkoje šie parametrai skaičiuojami pagal formules: ; ; Pagal 6 pav. darbo taške ir yra: Ω ; ; Parametrai (srovės perdavimo koeficientas) ir (išėjimo laidumas) randami iš išėjimo charakteristikų šeimos. Nurodyto darbo taško Q aplinkoje šie parametrai skaičiuojami pagal formules: ; ; Pagal 6 pav. darbo taške ir yra: ; ir kΩ - išėjimo varža. Įjungto pagal bendrojo emiterio schemą tranzistoriaus įėjimo varža būna apie kiloomą, įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas =10-4 – 10-3, srovės stiprinimo koeficientas =β= 20 – 500, išėjimo varža 1/h22 – vienetų ir dešimčių kiloomų eilės. 2.2 Sudaryti tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinės grandinės schemą, rasti jos elementų parametrus. 7 pav. Dvipolio tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinės grandinės schema Nurodytame darbo taške IkQ = 10 mA. Ekvivalentinės grandinės parametrus skaičiuojame pagal tokias formules: β=h21E=136,9; rB*=h11E- rπ= 833,3-342,25=491,05 Ω; Kadangi užduotyje nėra duota , talpos išraiškoje šis dydis lieka nežinomas: 2.3 Apskaičiuoti išėjimo srovės kintamąją dedamąją, kai kintamoji įėjimo įtampa yra 35  mV. Kintamąją išėjimo srovę apskaičiuojame iš šios formulės: ; Įtampą randame pasinaudodami formule: ; Įstačius įtampos išraišką į išėjimo srovės formulę gauname: . 2.4 Rasti žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientą, kai apkrovos varža lygi 566 Ω Žemo dažnio įtampos stiprinimo koeficientas randamas pagal formulę: 3. Lauko tranzistoriaus parametrų skaičiavimas ir ekvivalentinės grandinės schemų sudarymas Lauko tranzistorius – tai toks tranzistorius, kuriame 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. 8 pav. pateiktos lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikos. Tranzistoriaus UGS= 1,5 V, UDS = 8 V – tai mano darbo taškas. 8 pav. Lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikos 3.1 Nubraižyti lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikas, kai UDS = 4, 8, 14 V. Perdavimo charakteristikas (9 pav.) braižome naudodamiesi išėjimo charakteristikomis (8 pav.) 9 pav. Perdavimo charakteristikos, kai UDS = 4, 8, 14V Naudodamiesi išėjimo charakteristika, tai yra ID priklausomybe nuo UDS, nubrėžėme perdavimo charakteristiką (ID priklausomybe nuo UGS). Kol tranzistorius veikia tiesiniu režimu, jo santakos srovė priklauso nuo užtūros ir santakos įtampų. Esant soties režimui, santakos srovė priklauso tik nuo užtūros įtampos. Nežymus srovės ID stiprėjimas (tai matome 9 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 yra statumas S ir išėjimo varža kintamajai srovei Ri . Statumas S=gm apskaičiuojamas iš perdavimo charakteristikų, o išėjimo varža Ri iš įėjimo charakteristikų. Statumas apskaičiuojamas pagal formulę: Išėjimo varža apskaičiuojama pagal formulę: 3.3 Sudarykime lauko tranzistoriaus ekvivalentinės grandinės schemą: 10 pav. Lauko tranzistoriaus ekvivalentinė П pavidalo schema 3.4 Apskaičiuosime fT kai C11= 9 pF ir 17 pF; Rasti: fT - ? , nes ; kai C11=9 pF, kai C11=17 pF, 3.5 Apskaičiuosime kintamąją išėjimo srovę, kai kintamosios įtampos amplitudė yra 20 mV: ; 3.6 Rasime žemų dažnių įtampos stiprinimo koeficientą, kai apkrovos varža lygi 830Ω: , ; ; 4. Akustinės elektronikos įtaisų projektavimas Mažame puslaidininkiniame IG telpa daug (šiuo metu iki 108) elementų. Pagrindiniai puslaidininkinio 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. Šiuolaikiniuose akustinės elektronikos įtaisuose panau­dojamos paviršinės akustinės bangos, kurios yra pranašesnės už tūrines akustines bangas. Tūrinių akustinių bangų filtrų ir vėlinimo linijų rezonatorių ir garsolaidžių gamyba gana sudėtinga – reikalingas didelis mechaninio apdorojimo tikslumas. Kadangi rezonatorių ir garsolaidžių matmenys maži, net labai nedidelės absoliutinės jų gamybos paklaidos labai atsiliepia rezonatorių rezonansiniams dažniams arba vėlinimo linijų vėlinimo laikui. Tuo nesunku įsitikinti pažvelgus į rezonansinių dažnių arba vėlinimo laiko išraiškas. Be to, tūrinių akustinių bangų filtrų ir vėlinimo linijų darbo dažnių diapazonas yra ribotas. Jo viršutinė riba – 100–200 MHz. Tobulesni yra paviršinių akustinių bangų filtrai ir vėlinimo linijos. Juos galima gaminti taikant plonasluoksnes technologijas. Be to, jų dažnių diapazono viršutinė riba yra daug aukštesnė – iki keleto gigahercų. Taigi dabar pabandysime suprojektuoti vieną iš akustinės elektronikos elementų PAB filtrą. Jis atrodo štai taip: Užduotis: Suprojektuoti paviršinių akustinių bangų (PAB) juostinį filtrą (vėlinimo liniją). Atlikti projektinius filtro (vėlinimo linijos) skaičiavimus, sudaryti garsolaidžio ir jungimo schemos eskizinius brėžinius, nubraižyti filtro DACh. Centrinis pralaidumo juostos dažnis 60 MHz Pralaidumo juostos plotis 9 MHz Paviršinių akustinių bangų (PAB) juostinio filtro skaičiavimas: Kai PAB filtras sudarytas pagal schemą keitiklis-garsolaidis-keitiklis, jo dažninės savybės ir selektyvumą lemia keitikliai. Keitiklio strypų skaičius randamas pagal formulę: čia – koeficientas (=0,6–0,8); – centrinis pralaidumo juostos dažnis (MHz); –pralaidumo juostos plotis (MHz). Garsolaidžio medžiagos parinkimui apskaičiuojame elektromechaninio ryšio koeficientą: Tokį koeficientą labiausiai atitinka LiNbO3 vs  3,5 -4,0 km/s – paviršinės akustinės bangos greitis. – santykinė dielektrinė skvarba. Keitiklio efektyvumas yra maksimalus, kai strypų skaičius artimas optimaliam, kuris priklauso nuo garsolaidžio medžiagos Jei , skaičiuojamas koeficientas P: Apskaičiuojamas keitiklio strypų žingsnis : . Strypo plotis d dažniausiai sudaro pusę žingsnio: mm. Keitiklio strypų persidengimas turi būti ne mažesnis nei mm. čia – atstumas tarp įėjimo ir išėjimo keitiklių, =0.00625mm – PAB ilgis. Rekomenduojama priimti L = 8–10 mm. Randamas keitiklio ilgis: mm. Apskaičiuojamas filtro pagrindo ilgis: ; mm; čia l – atstumas nuo keitiklio iki filtro pagrindo galo (rekomenduojama 5 – 10 mm). Apskaičiuojamas filtro pagrindo plotis: mm. Pagal apskaičiuotus filtro matmenų ir kitus parametrus randami jo elektriniai parametrai ir charakteristikos: Koeficientas lemia PAB atspindžio nuo keitiklio koeficientą , bangos praėjimo koeficientą ir keitiklio slopinimo koeficientą . Decibelais išreikštos paminėtų koeficientų reikšmės apskaičiuojamos pagal formules: ; ; . PAB filtro slopinimas išreiškiamas formule: . Parazitinių virpesių, kylančių dėl atspindžių nuo išėjimo ir įėjimo keitiklių, lygis įėjimo virpesių atžvilgiu sudaro: . Keitiklio statinė talpa C0 apskaičiuojama pagal formules: ; [pF]; čia C1 – keitiklio strypų poros ilgio vieneto talpa; ; [pF]; ; ; - pagrindo santykinė dielektrinė skvarba, paimta iš lentelės; pF; pF; Jeigu f =f0 keitiklio spinduliavimo aktyvioji varža Ra, išreiškiama formule: ; ; Norint sukompensuoti keitiklio įėjimo varžos talpinę dedamąją, nuosekliai keitikliui jungiama induktyvumo ritė, kurios induktyvumas randamas pagal formulę: ; ; Centrinis dažnis: 60 MHz. Pralaidumo juosta: 9 MHz. PAB greitis: 3.75 km/s. Elektromechaninio ryšio koeficiento kvadratas: 0.0388 km2 Dielektrinė skvarbą: 42.5 Atstumas tarp keitiklio ir bangolaidžio galo: 5 mm. Medžiagos pavadinimas: LiNbO3. Gauti rezultatai: Elektrodų skaičius: 9; Optimalus: 6; Išderinimas: 1.44; Elektrodų žingsnis: 0.0156 mm; Plotis: 0.0156 mm; Bangolaidžio ilgis: 20.5313 mm; Plotis: 11.0625 mm; Atstumas tarp keitiklių: 10 mm; Slopinimas: 6.02 dB; Statinė talpa: 1.78 pF; Spinduliavimo varža: 336 ; Apkrovos varža: 336 ; Suderinimo induktyvumas: 12.42 H 13 pav. Paviršinių akus­ti­nių bangų juostinio filtro DACH Išvados: Elektriniams virpesiams pakeisti į mechaninius ir mechaniniams virpesiams pakeisti į elektrinius paviršinių akustinių bangų įtaisuose dažniausiai naudojami dvifaziai elektrodiniai pjezoelektriniai keitikliai. Keitimas vyksta efektyviausiai, kai paviršinės akustinės bangos ilgis lygus keitiklio periodui p . Jeigu ši akustinio sinchronizmo sąlyga netenkinama, keitimo efektyvumas yra mažesnis. Todėl elektrodiniai paviršinių akustinių bangų keitikliai pasižymi selektyvumu. Keitiklio praleidžiamųjų dažnių juostos plotis yra atvirkščiai proporcingas keitiklio strypų skaičiui. Optimalus keitiklio strypų skaičius priklauso nuo pjezoelektriko savybių. Paviršinių akustinių bangų filtrai dažniausiai būna padaryti pagal schemą įėjimo keitiklis – garsolaidis – išėjimo keitiklis. Filtro dažninės savybes lemia keitikliai. Parinkus tinkamą keitiklio impulsinės charakteristikos gaubtinės formą (taikant sverti), galima pagerinti selektyvumą – sumažinti slopinimą praleidžiamųjų dažnių juostoje ir padidinti slopinimą už jos ribų. Jeigu reikalingas labai didelis selektyvumas ( 0 / f F D

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!