2162

Фізика. Теорія и практика фізичних процессів

Конспект

Физика

Порівняйте основні властивості біполярних і польових транзисторів з ізольованим затвором. Обґрунтуйте переваги використання транзисторів інтегральних мікросхем з бар`єром Шотткі. Проаналізуйте умови стаціонарної генерації випромінювання напівпровідникових лазерів. Як зміниться критична густина струму, якщо ширина робочого тіла інжекційного лазера зміниться вдвічі.

Украинкский

2013-01-06

9.24 MB

34 чел.

  1.  Порівняйте основні властивості біполярних і польових транзисторів з ізольованим затвором.5 ст
  2.  Запропонуйте схему основних засад проектування та технології виготовлення плівкових інтегральних мікросхем. Наведіть приклад__________________________________________6 ст
  3.  Обґрунтуйте умови виникнення та спостереження квантового розмірного ефекту. Приклад досліду, в якому видно наявність квантового розмірного ефекту._______________________ 8 ст
  4.  Порівняти напівпровідникові і акустичні лінії затримки. При якій рухливості носіїв струму час затримки при довжині лінії 30мкм буде в цих лініях однаковим. _______________________11 ст
  5.  Обґрунтуйте різницю у впливі просторового електричного заряду на   електричний струм у вакуумному і напівпровідниковому діодах._________________________________________17 ст
  6.  Одиниці вимірювання інформації. Поняття про машинне слово. _______________________18 ст
  7.  Обґрунтуйте переваги використання транзисторів інтегральних мікросхем з бар`єром Шотткі 19
  8.  Визначити вміст домішок в плівці Al, котра отримана напиленням в вакуумі 2.10-5 А.с-1 з швидкістю напиленням 10А.с-1. Коефіцієнт прилипання залишкових газів дорівнює 0.8. Густина Al r=2.7 г.см-3.__________________________________________________________________20 ст
  9.  Обґрунтуйте основні умови, необхідні для створення детекторів електромагнітних хвиль оптичного діапазону.____________________________________________________________21 ст
  10.  Процесор та його основні функції в ЕОМ.__________________________________________22 cn
  11.  Обґрунтуйте використання методів ізоляції елементів інтегральних мікроелектронних  схем за допомогою зворотно зміщених р-n переходів. Проаналізуйте їх позитивні та негативні риси. Наведіть приклади._____________________________________________________________24 ст
  12.  Запропонуйте та обґрунтуйте методи оцінки гомогенності приповерхневих шарів двохкомпонентних зразків методами електронної спектроскопії._______________________26 ст
  13.  Проаналізуйте умови стаціонарної генерації випромінювання напівпровідникових лазерів. Як зміниться критична густина струму, якщо ширина робочого тіла інжекційного лазера зміниться вдвічі? _______________________________________________________________________27 ст
  14.  Обґрунтуйте переваги використання кремнію при виготовленні інтегральних мікросхем.__30 ст
  15.  Проаналізуйте, в яких випадках доцільно використання методів ізоляції елементів ІМС за допомогою шарів діелектриків або повітряних проміжків.____________________________31 ст
  16.  Запропонуйте та обгрунтуйте можливість створення довільного профілю активних домішок за допомогою методу іонної імплантації._____________________________________________32 ст
  17.  Обгрунтуйте умови утворення p-n переходів та шару Шотткі та позитивні риси діодів з барєром Шотткі.______________________________________________________________________33 ст
  18.  Проаналізуйте причини появи залежності електропровідності металевих плівок від їх товщини____________________________________________________________________35 ст.
  19.  Проаналізуйте причини розвитку функціональної електроніки._____________________ __37ст
  20.  Запропонуйте алгоритми обробки експериментальних даних на прикладі електронної спектроскопії.________________________________________________________________38 ст
  21.  Обгрунтуйте можливість застосування тунелювання для побудови активних елементів інтегральних мікросхем._______________________________________________________39 ст
  22.  Проаналізуйте умови експериментального спостереження  класичного розмірного ефекту. Чому  він майже не спостерігається в напівпровідниках? Як впливає вигин зон?_____________42 ст
  23.  Обгрунтуйте необхідність використання оптичного каналу звязку в сучасній обчислювальній техніці._____________________________________________________________________43 ст
  24.  Як зміниться відношення струму колектора до струму бази в n-p-n транзисторі, включеному в схемі з спільним емітером, якщо ширина бази w  збільшиться вдвічі.________________44 ст
  25.  Проаналізуйте умови, що необхідно виконати для створення ефективних біполярних транзисторів._______________________________________________________________45 ст
  26.  Доведіть доцільність використання акустоелектроніки для обробки сигналів.________46 ст
  27.  Обгрунтуйте,  чому тепловий баланс інтегральних мікросхем  обмежує мінімальний розмір її окремих елементів.___________________________________________________________47 ст


  1.  В процесі проведення виготовлення кремнієвих інтегральних схем передбачається прогрів при 750 0 С на      протязі 30 хвилин. До складу схеми входять плівки злота. Золото має при цих температурах такі коефіцієнти       дифузії по вузлам гратки  ~10-13 см2с-1 і по міжвузлях гратки  ~10-10 см2с-1. Оцінити мінімальний розмір елементів при умові, що крайове розмиття при виготовленні елементів має дисперсію  = 10-6 см і воно повинно      бути сумірним з дифузійним розмиттям._____________________________________________________________________49 ст
  2.  Проаналізуйте від чого залежить ефективність емітера, коефіцієнт переносу неосновних носіїв заряду, ефективність збору колектора в  біполярному транзисторі, що використовується в інтегральних мікросхемах._______________________________________________________50 ст
  3.  Проаналізуйте, за яких умов вдається спостерігати квантовий розмірний ефект в шарах просторового заряду в напівпровідниках. Як експериментально показати його існування?__53 ст
  4.  Проаналізуйте, в яких випадках доцільно використовувати аналогову і в яких дискретну техніку обробки сигналів._______________________________________________________________56 ст
  5.  Обгрунтуйте методи вимірювання ширини спектральних ліній у випадках однорідного та неоднорідного випромінювання лазера.____________________________________________57 ст
  6.  Проаналізуйте умови, що дозволяють збільшувати коефіцієнт підсилення    потужності і коефіцієнт підсилення струму в схемах з біполярним транзистором. Оцініть зміну граничної частоти транзистора, якщо заміенити кремній з рухливістю носіїв 50 см2В-1с-1 на кремній з рухливістю 500 см2В-1с-1 ._______________________________________________________59 ст
  7.  Проаналізуйте за яких умов в каналах провідності спостерігається велика рухливість носіїв заряду.________________________________________________________________________63 ст
  8.  Обгрунтуйте вплив на ступінь поверхневої іонізації залежності  між роботою виходу і потенціалом іонізації атома на поверхні твердого тіла.________________________________64 ст
  9.  Наведіть приклад реалізації квадратичного детектора. Охарактеризуйте форму спектру на виході такого детектора.________________________________________________________________65 ст
  10.  Проаналізуйте шляхи зменшення впливу паразитних параметрів інтегральних мікросхем на біполярних транзисторах. Перевірте, чи буде обмежувати граничну частоту перехідні характеристики транзистора при використанні кремнію з рухливістю носіїв 500 см2В-1с-1._66 ст
  11.  Проаналізуйте причини, що обмежують мінімальний розмір елемента інтегральних мікросхем._____________________________________________________________________71 ст
  12.  Обгрунтуйте підходи до вибору матеріалів, що застосовуються для детектування квантів електромагнітної радіації різної енергії._____________________________________________81 ст
  13.  Проаналізуйте спектральну густину теплового гаусівського шуму на виході ідеального обмежувача (компаратора)._______________________________________________________84 ст
  14.  Обгрунтуйте корисність та окресліть області застосування еквівалентних схем біполярних транзисторів.__________________________________________________________________85 ст
  15.  Доведіть необхідність мікромініатюризації електронних схем._______________________87 ст
  16.  Обгрунтуйте можливість використання вторинної електронної емісії для діагностики поверхні твердого тіла.________________________________________________________________88 ст
  17.  Оцінити радіус металевих острівців сферичної форми на підкладинці, енергетичний електронний спектр у яких при кімнатній температурі буде дискретним. Стала Больцмана K=1.38х10-16ерг.град-1, стала Планка h=6.53.10-27ерг.с-1.________________________________________89 ст
  18.  Запропонуйте схему технології виготовлення інтегральних мікросхем з біполярними транзисторами._________________________________________________________________90 ст
  19.  Проаналізуйте особливості тонких феромагнітних плівок, що використовують для запису та обробки сигналів._______________________________________________________________92 ст
  20.  Особливості та застосування термоелектронної емісії. Чи має вона загальні  риси з надбарєрною емісією в напівпровідникових структурах?__________________________________________94 ст
  21.  Обгрунтуйте вибір типу  резонатора, що використовується в інжекційних  квантових генераторах оптичного діапазону довжин хвиль (лазерів). Як звяз ані геометричні парметри резонатора з резонансною частотою?_________________________________________________________96 ст
  22.  Фізичні основи роботи польових транзисторів з ізольованим затвором._________________98 ст
  23.  Проаналізуйте особливості використання когерентних хвиль для обробки інформації.___100 ст
  24.  Обгрунтуйте умови практичного використання явища тунелювання.___________________101 ст
  25.  Порівняти, що дає більший внесок чи зміна відстані між вістрям і поверхнею в тунельному мікроскопі, чи зміна роботи виходу.  Cтруму може утримуватись сталим з відносною похибкою 1% . Середня робота виходу 4.0еВ, відстань від вістря до поверхні 10А.________________104 ст
  26.  Обгрунтуйте, чому здебільшого при використанні  польових транзисторів з ізольованим затвором використовують компліментарні структури._______________________________105 ст
  27.  Проаналізуйте за яких умов зменшення довжини каналу  МОН (метал-оксид-напівпровідник) транзистора сильно впливає на його характеристики. Які параметри МОН транзистора при цьому почнуть змінюватися?__________________________________________________________106 ст
  28.  Обгрунтуйте умови виникнення та спостереження квантового розмірного ефекту._______108 ст
  29.  Як зміниться довжина хвилі випромінювання інжекційного лазера, якщо ширина смужки робочого тіла зменшиться до 0,03 мкм? Ширина забороненої зони напівпровідника 1,42 еВ, ефективні маси електронів та дірок 0,067m0 та 0.082m0.______________________________110 ст
  30.  Обгрунтуйте вибір технології виготовлення інтегральних мікросхем , в яких використовуються польові транзистори з  ізольованим затвором. Як впливає ступіть легування окремих областей транзистора на його параметри.___________________________________________________111 ст
  31.  Проаналізуйте в яких випадках найбільш доцільно використовувати плівкову електроніку_114 ст
  32.  Яку роль відіграють дифузійні процеси в мікроелектроніці?___________________________115 ст
  33.  Спробуйте оцінити відстань між сусідніми повздовжніми модами або кут розбіжності вихідних променів в інжекційному  квантовому генераторі оптичного діапазону довжин хвиль.____116 ст
  34.  Користуючись еквівалентною схемою біполярних транзисторів інтегральних мікросхем проаналізуйте вплив паразитних параметрів на роботу схеми.________________________117 ст
  35.  Проаналізуйте, яку роль грають гетероструктури в мікроелектроніці. Наведіть приклади гетероструктур, що використовуються.____________________________________________119 ст
  36.  Які фізичні явища використовуються для побудови модуляторів світлового променя. ____120 ст
  37.  Спробуйте оцінити роздільну здатність методу фотолітографії. _______________________121 ст
  38.  Проаналізуйте за яких умов відбувається генерація світла  лазерами.___________________122 ст
  39.  Проаналізуйте вплив паразитних параметрів на резистори інтегральних мікросхем. Еквівалентна схема.________________________________________________________________________123 ст
  40.  Яку  роль виконує підкладинка інтегральних мікросхем._____________________________124 ст
  41.  Уніполярний МОН транзистор з n-каналом провідності має такі параметри: довжина каналу L = 5 мкм; ширина w = 50 мкм; xox = 0,1 мкм; порогова напруга VT,ef = +1 В; діелектрична стала оксиду   ; рухливість носіїв n   см2В-1с-1. Знайдіть струм стоку, активний опір каналу, крутизну, якщо транзистор працює в лінійному режимі при напругах  VG = 3 B,VD = 0,1 В.________125 ст
  42.  Проаналізуйте умови, за яких в каналах провідності виникає велика рухливість носіїв заряду.______________________________________________________________________126 ст
  43.  Чи можна використовувати тунельні прилади в НВЧ діапазоні частот ________________126 ст
  44.  Засади, що використовуються для просвітлення оптичних пристроїв.__________________127 ст
  45.  Який впив може здійснювати скін-ефект на роботу елементів інтегральних мікросхем  Приклади.____________________________________________________________________128 ст
  46.  Знайдіть паразитні параметри біполярного транзистора. Знайдіть його передаточну криву. Поясніть чим відрізняється режим роботи в схемі з загальним емітером та схемі з загальною базою._______________________________________________________________________130 ст
  47.  Оцінити товщину напівпровідникового шару, в якому виконуються необхідні умови спостереження     _____________________________________________________________132 ст
  48.  квантового розмірного ефекту при кімнатній температурі, якщо ефективна маса носіїв заряда m*=0,1m0;
  49.  рухливість носіїв  = 5000 см2В-1с-1.
  50.  Наведіть приклади застосування акустоелектричних пристроїв. Які фізичні явища в них використовуються?____________________________________________________________133 ст
  51.  Чи суттєво зміниться ємність МОН транзистора в режимі збіднення, якщо концентрація акцепторів збільшилась в 100 разів. Si/ох=5 хох = 5 нм Lе 10-5 см.____________________135 ст
  52.  Проаналізуйте умови, за яких в каналах провідності виникає велика рухливість носіїв заряду._______________________________________________________________________137 ст
  53.  Де використовуються в мікроелектроніці тунельні явища? Наведіть приклади. _________138 ст
  54.  Як впливають квантові розмірні ефекти на роботу інжекційних лазерів.________________139 ст
  55.  Порівняйте два сандвіча однакових розмірів з вакуумним зазором і з зазором із діелектрика з =10.        Знайдіть, в якому із сандвічів струм обмежений просторовим зарядом більший і у скільки разів_________________________________________________________________140 ст
  56.  Проаналізуйте умови роботи різних схем включення МОН транзисторів. Як вони виготовляються і ІМС?._______________________________________________________141 ст
  57.  Резонансна тунельна емісія. Природа явища. Як відрізнити резонансне тунелювання від не резонансного?________________________________________________________________143 ст
  58.  Що нового в мікроелектроніці відриває застосування гетеропереходів?________________145 ст
  59.  Якщо вважати, що для роботи елементів інтегральних схем потрібна мінімальна напруга 10kT/e, знайти у скільки разів відрізняються допустимі розміри ємнісних і резистивних елементів, що визначаються         перегрівом елементів.__________________________________________146 ст
  60.  На поверхні кремнію існує  р-типу збіднений шар. Концентрацією електронів в цьому шарі можна знехтувати. Знайти товщину області просторового заряду при кімнатній температурі, якщо поверхневий потенціал Vs = 0,25 В, а обємна концентрація неглибоких повністю іонізованих акцепторів становить Na = 1015 см-3.____________________________________147 ст
  61.  Кварцовий резонатор. __________________________________________________________149 ст
  62.  Методи управління світловими потоками в мікроелектроніці. Фізичні явища, що використовуються._____________________________________________________________151 ст
  63.  Визначити питомий опір матеріалу, що використовується для створення мікроелементів інтегральних схем, котрі складаються із 106 окремих елементів на см-2. При якій концентрації носіїв заряду в матеріалі можна відтворювати елементи з точністю 0,01 за концентрацією._154 ст


1. Порівняйте основні властивості біполярних і польових транзисторів з ізольованим затвором.

Порівняємо основні характеристики біполярного й польового транзисторів:

Біполярні (n-p-n)

Монополярні (КМОН, МОН)

1. Здійснюється керування струму I.

1. Здійснюється керування напруги U.

2. Струм протікає завжди.

2. Для КМОН структури струм протікає лише в момент переключення, що зменшує нагрівання транзистора.

3. Коефіцієнт підсилення за струмом , .

3. Коефіцієнт підсилення за напругою

(в насиченні).

4. Малий вхідний опір .

4. Великий вхідний опір .

5. Потрібна ізоляція один від одного.

5. Не потрібно додаткової ізоляції один від одного.

6. Для виконання фотоепітаксії потрібно більше 8-ми фотошаблонів.

6. Для виконання фотоепітаксії потрібно більше 5-ти фотошаблонів.

7. При виготовленні транзистора виконується біля 130 технологічних операцій.

7. При виготовленні транзистора виконується біля 38 технологічних операцій.

8. В процесі виготовлення відбувається нагрівання до 1000  приблизно 10 разів. (Потрібно пам’ятати про дифузію).

8. В даному випадку лише 1-2 операції нагріву.

Таким чином МОН транзистор технологічно простіший біполярного транзистора, потребує для роботи значно менше енергії та дозволяє збільшувати ступень інтеграції ІМС. Крім того, на відміну від біполярних транзисторів, котрі забезпечують точне перетворення аналогових сигналів та мають значні керуючі струми, КМОН транзистори мають низьку енергію, що витрачається, керуються напругою та ефективно використовуються в запам’ятовуючих пристроях.


2. Методи виготовлення тонких шарів та плівок

Виготовлення плівкових структур заданої конфігурації здійснюється за допомогою трьох методів (рис.11.2):

неруйнівної або змінної маски,

руйнівної (одноразової) або контактної маски,

променевої обробки тонких шарів речовини по заданій програмі.

В перших двох методах маска (трафарет) перекриває частину потоку атомів речовини, що повинна осідати на підкладинці, тобто маска дозволяє точно відтворювати спроектовану топологію тонкоплівкової структури або витравлювати частину попередньо нанесеної плівки. У третьому методі електронний, іонний або лазерний сфокусовані промені при скануванні поверхні попередньо нанесеної плівки витравлюють на ній по заданій програмі певний рисунок або стимулюють проведення певних реакцій.

Неруйнівна маска виготовляється заздалегідь окремо від підкладинки. Вона являє собою тонкий шар речовини (здебільшого - це нікельована фольга з берилієвої бронзи) товщиною 80÷100 мкм з отворами, розміри форма й розташування яких визначається топологію ІМС, природою, функціональним призначеним і параметрами окремих її елементів. Неруйнівна маска накладається на підкладинку і крізь її отвори наноситься на підкладинку речовина, необхідна для створення даного елемента мікросхеми (метал, напівпровідник, діелектрик). Її позитивною рисою є те, що вона може використовуватись декілька разів. Проте вона має обмежену точність відтворення розмірів елементів ±5 мкм, що не завжди задовольняє розробників ІМС. Тому для більш точного відтворювання розмірів окремих елементів при виготовленні ІМС використовується метод руйнівної маски.

Метод руйнівної (контактної) маски полягає в тому, що на підкладинку наноситься допоміжний шар речовини, в якому утворюються отвори. Форма цих отворів визначається формою елементів ІМС, що виготовляються. Крізь ці отвори можна наносити шари певних речовин або витравлювати вікна (оголяти підкладинку) у суцільному заздалегідь нанесеному на підкладинці шарі речовини (рис.11.3).  Після цього руйнівну маску розчиняють у спеціальних розчинниках, котрі не впливають на нанесені крізь маску або заздалегідь осаджені до створення маски матеріали. Формування руйнівної маски здійснюють за допомогою методу фотолітографії. В фотолітографії використовують світлочутливі матеріали - фоторезисти. Вони не тільки є світлочутливими матеріалами, але й стійкими до дії агресивних розчинників і розчиняються лише в спеціальних розчинниках. Під дією світла в матеріалі фоторезисту відбуваються перетворення, котрі змінюють в освітлений місцях його властивості, наприклад, розчинність. Спеціальні розчинники розчиняють в освітлених місцях речовину негативного фоторезисту або навпаки, в не освітлених місцях позитивного фоторезисту і створюють контактну маску. Відповідний світловий рисунок зображення створюється на фоторезисті за допомогою фотошаблону, із якого його переносять на фоторезист контактним друком або за допомогою оптичного проектування зображення фотошаблону на поверхню фоторезисту. Фотошаблоном служить скляна плоскопаралельна пластинка, на одному боці якої нанесена тонка плівка непрозорої речовини з необхідним рисунком інтегральної схеми у вигляді прозорих отворів.

Розміри цих отворів відповідають розмірам елементів інтегральної схеми, що має відтворюватися на поверхні фоторезисту. На рис.11.3 наведено приклад створення конфігурації плівкового елемента за допомогою руйнівної маски. Цей процес складається з таких етапів:

1. нанесення на очищену підкладинку суцільного шару (плівки) речовини, наприклад, міді,

2. нанесення шару фоторезисту, наприклад, за допомогою розтікання рідкого фоторезисту по поверхні скла під дією відцентрових сил, що створюються обертанням скляної підкладинки,

3. проектування зображення фотошаблону,

4. проявлення зображення на фоторезисті за допомогою розчинення освітлених його місць,

5. витравлення вікон у плівці міді,

6. розчинення залишків фоторезисту.

Метод контактної (руйнівної) маски забезпечує кращу за метод неруйнівної маски точність відтворення форм і якості країв структур. Наприклад, мінімальна ширина лінії, що забезпечується методом руйнівної маски (Δr ~ λ/sinα) при використанні видимого світла (λ~0.5мкм ), становить ~2 мкм, при використанні ультрафіолетового випромінювання становить ~<1 мкм, а при використанні рентгенівських променів ~0.03 мкм.

Для одержання конфігурацій елементів із тонких плівок використовуються також гравірування за допомогою лазерного або електронного променів. На порядку денному стоїть питання про гравірування також за допомогою іонних променів


3. Обґрунтуйте умови виникнення і спостереження квантового розмірного ефекту (КРЕ). Приклад досліду, в якому чітко показано наявність КРЕ.

Квантові ефекти повинні виявлятись тоді, коли основні носії заряду рухаються у потенціальній ямі, створеній або двома поверхнями зразка, або контактним полем на гетеропереході, або просторовим зарядом у приповерхневій області напівпровідника, розміри якої менші довжини хвилі де Бpойля, тобто при виконанні умови d < λD. В цьому випадку складова квазіімпульсу носіїв заряду вздовж осі, по якій товщина d обмежує розмір зразка або потенціальної ями, стає невизначеною (р2/d). Енергетичний спектр квазічастинок починає залежати від форми та розмірів потенціальної ями U(r).

 Квантовий розмірний ефект виникає й може спостерігатися за таких необхідних умов:

  •  по-перше, відстань між розмірними підзонами повинна бути більшою за тепловий розкид енергії квазічастинок

(2.30)

Для напівпровідників при 300К ця умова виконується при товщинах d<10-5см.

  •  По-друге,  повинно бути більшим природної ширини енергетичних рівнів

 (2.31)

За допомогою співвідношення невизначеностей оцінка дає , де - середній час життя на даному енергетичному рівні. Припустимо, що , тоді

(2.32)

Для напівпровідників із великими рухливостями носіїв, коли >103см2·В-1с-1, ця умова виконується при d<5·10-6см.

  •  По-третє, концентрація носіїв заряду n повинна бути не дуже великою, щоб заповнювалась лише 1-ша розмірна підзона, що має місце при умові

n<g1=3/2d3 (2.33)

де g1=3/2d3 - концентрація станів у 1-й розмірній підзоні.

(Концентрацію електронних станів в v-й енергетичній зоні в 2D випадку можна знайти, використовуючи відповідне значення для густини станів (див.2.43):  )

При d~10-5см ця умова виконується, коли концентрації носіїв у зразку менша за 1016 см-3 (n<1016 см-3). Вона може бути виконана у не вироджених напівпровідниках при низьких температурах та в напівметалах таких, як Ві.

  •  По-четверте, тонкий зразок (нанометрових товщин) повинен бути однорідним із розкидом товщин меншим довжини хвилі де Бройля.

За цих умов КРЕ буде мати такі прояви:

  1.  зміну в енергетичному спектрі носіїв заряду, що може спричинити появу напівпровідникових властивостей у деяких напівметалах та викликати зміну ефективної маси носіїв заряду;
  2.  зміну густини електронних станів та її залежність від енергії; в двовимірному випадку вона перестає залежати від енергії носіїв і починає залежати від товщини зразка d;
  3.  зміну концентрації носіїв заряду n(d);
  4.  появу залежності часу релаксації носіїв заряду  від d.
  5.  зміну глибини екранування електричного поля Le(d).

Квантовий розмірний ефект повинен призводити до зміни металевого характеру електропровідності зразка напівметалу, наприклад, Ві, на напівпровідниковий при зменшенні його товщини (рис.2.5.2а та рис.2.5.2b). Ця зміна відбувається внаслідок зміни енергетичного спектра згідно з (2.25) як електронів (n), так і дірок (р).

  

Рис.2.5. Енергетичні спектри носіїв: 1а) для нескінченного та 1b) тонкого зразків Si; 2a) та 2b) для нескінченого та тонкого зразків напівметалу.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ КРЕ

Розглянемо кілька прикладів експериментального дослідження КРЕ, а саме:

1. періодичні зміни товщинної залежності питомого опору напівметалів,

2. особливості вольт-амперних характеристик тунельного струму сандвічів з дуже тонким одним із електродів,

3. спектр вбирання в інверсних каналів провідності напівпровідників та ін.

1. Експериментально спостерігались періодичні зміни питомого опору тонких шарів напівметалів Sb та Bi в залежності від їх товщини при незмінності їх структури при зміні d. Ця залежність схематично зображена на рис. Період  дав можливість оцінити досить вірогідні значення енергії Фермі (F) для цих металів. Згодом були виконані досліди із дуже тонкими металевими дротами.

2. Спостерігались особливості вольт-амперних характеристик тунельного струму для сандвіча, котрий, наприклад, складається із тонкого окисленого шару Ві товщиною d, покритого плівкою Рb, як це показано на рис. 2.17.а. Товщина оксидної плівки  була настільки малою, що крізь неї відбувалась тунельна емісія із Ві в Рb при помірних напругах на сандвічі. Товщина вісмутової плівки вибиралась меншою за довжину хвилі де-Бройля. Енергетичний спектр носіїв у вісмутовій плівці розбивається на розмірні підзони, як це зображено на схематичному Рис.2.16.б. Тунельний струм в сандвічі прямо пропорціональний густинам зайнятих станів в металевому електроді, з якого відбувається тунелювання, та незайнятих станів в металевому електроді, в який йде тунельний струм. Напруга V на електродах зсуває рівень Фермі в одному металі по відношенню до іншого,

Рис.2.17. Ві-Рb сандвіч а), б) - його енергетична діаграма та в) - вольт-амперні характеристики його тунельного струму IVзалежність d2I/ dV2FV.

так що FBi - FPb = eV. Тому при деяких напругах густина зайнятих станів, наприклад, в 1-й підзоні вісмуту стане на одному рівні з рівнем незайнятих станів в свинцевому електроді, тобто перша розмірна підзона Ві стане вище рівня Фермі Рb. За таких умов тунельний струм зростає і на вольт-амперній кривій з’явиться особливість (Рис.2.16.с). Такі самі особливості виникають й тоді, коли створюються сприятливі умови для тунелювання з інших підзон. Характерні особливості вольт-амперних кривих тунельного струму в сандвічах з одним або обома тонкими металевими електродами, в яких можуть мати місце квантові розмірні ефекти, дійсно спостерігаються експериментально.


4  Порівняти напівпровідникові і акустичні лінії затримки. При якій рухливості носіїв струму час затримки при довжині лінії 30мкм буде в цих лініях однаковим.

(розв’язок з семінарів, теорія з функціональної електроніки 26-29, 68-70)

Порівняти напівпровідникові і акустичні лінії затримки. При якій рухливості носіїв струму час

затримки при довжині лінії 30мкм буде в цих лініях однаковим.

Напівпровідникові лінії затримки

                Рис.10.1. Лінія затримки.

В цих приладах використовується той факт, що vd - швидкість дрейфу зарядових пакетів, значно менша с - швидкості світла в пустоті (vd<c). На рис.10.1 зображена найпростіша лінія затримки. Вона виготовлена із Si плас-

тинки n - типу з двома омічними контактами і р-n переходом. Вхідний імпульс напруги Vвх<0 на p-n переході викликає інжекцію дірок в обєм Si. За час дії вхідного імпульсу в Si формується вузький просторовий пакет дірок - неосновних носіїв струму. Під дією повздовжного електричного поля, створеного різницею потенціалів V<0 від зовнішнього джерела напруги, цей пакет дрейфує вздовж осі х до правого електрода із швидкістю vd

                                                                (10.1)

де L - довжина дрейфу пакета. Пакет доходить до правого омічного електрода за час дрейфу tdr

                                                                (10.2)

Опір провідника з зарядовим пакетом Rpak буде меншим, ніж без пакета R

                                  (10.3)

L - розмір пакета, S - площа поперечного перерізу провідника. R>0, бо pak <. Менший опір провідника з пакетом спричиняє збільшення вихідної напруги, що падає на вихідному опорі Rвих

Рис.10.2. Епюри напруг на лінії затримки.

                                      (10.4)

Епюри вхідної і вихідної напруг зображені на рис.10.2.

В момент часу між t1 і t1+tdr в просторі між лівим та правим омічними контактами  виникає і рухається пакет з питомим опором меншим, ніж опір напівпровідника, що призводить до зростання вихідної напруги. Форма вхідного і вихідного імпульсів зображена на схематичному рис.10.2 і не потребує додаткових пояснень.

Рис.10.3. Лінія затримки з двома зворотно

зміщеними  р-n переходами

Вихідний сигнал можна отримати також, якщо біля правого електрода розташувати ще один зворотно зміщений р-n перехід.

Пакет інжектованих дірок дрейфує до вихідного перехода і захоплюється його полем. У вихідному колі йде струм. Він створює падіння потенціалів на вихідному опорі Vвих =IRвих. Схема такої лінії затримки і епюри вхідної та вихідної напруг зображені на рис.10.3.

В напівпровіднику, крізь який дрейфує пакет носіїв, можна створювати різні статичні неоднорідності, а саме: локальні зміни поперечного перерізу або електропровідності напівпровідника, металеві електроди на його поверхні тощо. Статичні неоднорідності  взаємодіють з зарядовим пакетом -  динамічною неоднорідністю, що призводить до змін вихідного сигналу. Розглянемо два приклади статичних неоднорідностей: тонку перетяжку та металевий шар на поверхні.

    

Рис.10.4. Лінія затримки змінного профілю і епюри її  напруг.

Найпростішою статичною неоднорідністю є зміна поперечного перерізу напівпровідника. Така лінія зображена на рис.10.4. Найбільшої зміни опору слід чекати, коли пакет інжектованих носіїв попаде в перешийок лінії. Саме в цей час зростає вихідний сигнал, як це видно на рис.10.4. Складний профіль поперечного перерізу напівпровідника, створений заздалегідь, може формувати сигнали складної форми. Ця властивість використовується для кодування сигналів і керованої зміни їх форми.

    Розглянемо тепер другий випадок, коли на поверхню напівпровідника нанесений металевий шар. Така лінія зображена на рис.10.5.

          

     Рис.10.5. Лінія затримки з металевим шаром на поверхні   напівпровідника.

Доки зарядовий пакет не дійшов до металевого шару, він мало змінює електропровідність і тому майже не впливає на величину вихідного сигналу. Вихідний сигнал лише трохи зростає по відношенню до вихідної напруги у відсутності пакета інжектованих носіїв. Коли пакет доходить до металевого шару і знаходиться під ним (х1 х х2), він шунтує напівпровідник  і струм йде, головним чином, крізь металевий шар. Лише незначна його частина продовжує йти крізь напівпровідник. Поки пакет дрейфує під металевим шаром струм у вихідному опорі майже не йде і тому падіння напруги на ньому - вихідний сигнал прямує до нуля. Епюри вхідної і вихідної напруг зображені на рис.10.5. Форма вихідного сигналу залежить від форми і розмірів металевого шару на поверхні лінії. Це дає змогу створювати різні електронні прилади: кодери, декодери, фільтри тощо. При довжині лінії затримки L=0,03см і рухливості носіїв p=500см2-1.1с-1  час затримки становить 1мкс.

Таким чином, напівпровідникові лінії затримки мають дуже малі розміри, вони виготовляються за традиційною для мікроелектроніки технологією, електрично і структурно  настроюються і являють собою один із приладів функціональної електроніки.

Акустичні лінії затримки

В цьому класі фукціональних приладів використовується те, що швидкість акустичних хвиль vа менша, ніж швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль с. Електромагнітний сигнал за допомогою п’эзоелектричного ефекту перетворюється в акустичну хвилю, котра розповсюджується в звукопроводі певний час затримки , а потім знову за допомогою зворотного п’єзоелектричного ефекту перетворюється в електромагнітний сигнал.

Рис.10.20. Схема бездисперсійної лінії затримки.

     Бездисперсійна лінія затримки на об’ємних акустичних хвилях, що працює на прохід, зображена на схематичному рис.10.20. Вона складається із бруска речовини - звукопроводу, на кінцях якого приєднані п’єзоелектричні  перетворювачі. Вони виготовляються

із кварцу, тонких напрошених шарів CdS або використовується зворотно зміщені р-n переходи. Електричні коливання у вхідному перетворювачеві створюють в звукопроводі акустичну хвилю, котра розповсюджується з швидкістю vа 105 см.с-1. Акустична хвиля за час затримки tз доходять до вихідного п’єзоелектричного перетворювача, де вона за допомогою прямого п’єзоелектричного ефекту створює на виході електричий сигнал. Час затримки tз=L/vа залежить від довжини звукопроводу L і швидкості звуку в ньому. Робочі частоти 0 підбираються так, щоб вони були рівними резонансній частоті вхідного і вихідного перетворювачів. Смуга пропускання  визначається добротністю перетворювачів звукових коливань в електричні і навпаки електромагнітних в акустичні.

Розповсюдження акустичної хвилі супроводжується її затуханням, основними причинами якого є: розходження акустичної хвилі при її віддаленні від джерела, розсіяння на неоднорідностях середовища, незворотного переходу енергії хвилі в інші форми тобто поглинання. Тому в широкосмугових лініях затримки смуга пропускання також залежить від частотної характеристики втрат акустичних хвиль в звуководі.

     В залежності від типу акустичних хвиль, що збуджуються в звуководах, розрізняють акустичні лінії затримки на об’ємних і на поверхневих акустичних хвилях.

     В лініях затримки на об’ємних акустичних хвилях акустичні хвилі генеруються у всьому звукопроводі, розміри якого більші за довжину акустичної хвилі. При цьому кожна хвиля є комбінацією декількох повздовжних і зсувових хвиль. Звукопроводи виготовляються із кварцу, рубіну, ніобату літію або плівок CdS і ZnO. На кінцях звукопроводів приклеюються або приварюються за допомогою дифузійної зварки п’єзоперетворювачі. Для збільшення шляху звукової хвилі в звукопроводі, тобто для збільшення часу затримки tз використовують не тільки однопрохідні лінії, в яких акустичні хвилі розповсюджуються від входу до виходу по прямій лінії, але й багатопрохідні, в яких використовується відбиті від границь звукопроводу хвилі. В багатопрохідних лініях акустичні хвилі розповсюджуються від входу до виходу по ламаній траєкторії. В таких лініях вдається отримувати затримку до 100мкс.

В акустичних лініях затримки можна використовувати і поверхневі акустичні хвилі (ПАХ). Вони розповсюджуються вздовж вільної поверхні твердого тіла або вздовж його границі з іншим середовищем і затухають при віддаленні від границі на відстанях сумірних з довжиною звукової хвилі. Розрізняють два класи ПАХ: з вертикальною поляризацією, у яких вектор зміщення часточок речовини в хвилі і напрям розповсюдження хвилі знаходяться в площині перпендикулярній до граничної поверхні, і з горизонтальною поляризацією, у яких вектор зміщення часточок речовини паралельний  граничній площині і перпендикулярний напрямку розповсюдження хвилі. На практиці здебільшого використовують ПАХ Релея з вертикальною поляризацією. Частинки в цій хвилі рухаються по еліпсам, велика напівісь яких перпендикулярна границі, а мала напівісь паралельна напрямку розповсюдження.

Рис.10.21. Однопрохідна бездисперсійна акустична лінія затримки, в якій використовуються поверхневі акустичні хвилі(ПАХ).

Рис.10.22. Багатопрохідна акустична лінії затримки на ПАХ.

ПАХ збуджуються інакше за об’ємні акустичні хвилі. Найчастіше для цього використовують зустрічно-штирьові перетворювачі (ЗШП), котрі наносяться на поверхню звукопроводу. Їх типова форма показана на рис.10.21. ПАВ повинні розповсюджуватись у вигляді направленого променю. Для цього довжина штирів в напрямку перпендикулярному до напрямку розповсюдження хвилі (апертура збудника) повинна бути значно більшою довжини звукової хвилі. Просторовий шаг штирів h визначає частоту акустичного синхронізму 0=vа/h. На цій частоті шаг співпадає з довжиною акустичної хвилі і електричний сигнал найбільш ефективно перетворюється в ПАХ. Тому ЗШП являє собою частотно-вибірковий елемент, амплітудно частотна характеристика якого має максимум на частоті акустичного синхронізму 0. Максимально можливі частоти обмежуються можливостями фотолітографії, котра дозволяю відтворювати край структури із скінченим крайовим розмиттям .Якщо крайову розмиття за порядком величини 0,2 мкм, то 0max=vз/42...4 ГГц.

Рис.10.20. Дисперсійні акустичні лінії затримки на поверхневих акустичних хвилях: а) - tз зменшується при збільшенні ; б) - tз збільшується при збільшенні .

Для збільшення часу затримки використовують багатопрохідні акустичні лінії затримки, в яких використовується відбуття ПАХ від країв звукопроводу, що збільшує шлях акустичної хвилі в звукопроводі тобто збільшує час затримки сигналу. Приклад багатопрохідної акустичної лінії затримки зображений на схематичному рис.10.22, який не потребує додаткових пояснень.  

Крім бездисперсійних ліній затримки використовують акустичні дисперсійні лінії затримки. Для цього ПАХ збуджують за допомогою ЗШП зі змінним шагом розташування штирів. Наприклад, якщо відстані між штирями вхідного ЗШП поступово зменшуються, як це показано на рис.10.23.а, то час затримки також зменшується при збільшенні частоти сигналу і навпаки, якщо відстань між штирями вхідного ЗШП поступово збільшується, як це показано

на рис.10.23.б, то час затримки  сигналу також збільшується при збільшенні частоти сигналу.

Лінії затримки на ПАХ дозволили реалізувати затримки сигналів 0,1...100мкс на частота 1...103 Мгц із смугою пропускання до 100% робочої частоти. Затримки залежать від температури, бо має місце теплове розширення речовини і залежність швидкості звука від температури. В таблиці 10.1 наведені типові дані для акустичних ліній затримки.

Таблиця 10.1. Матеріали акустоелектроніки, що використовуються в звукопроводах

тип лінії

матеріал звукопроводу

параметри

tз  мкс

0  МГц

/0

D дБ

ТКЗ, Т-1

об’ємні АХ

плавлений квац

>4000

15 - 60

0.2-0.5

>60

10-4

Al2O3

0.1 - 20

(1-18)10-3

0.05-0.8

80

10-5

ПАХ

LiNbO3 ніобат літію

1 - 65

5-2500

0.04-0.6

10-20

 10-4

Be12GeO20 германат вісмуту

>1000

40-80

>0.8

>50

 10-4

SiO2

>300

5-200

>0.5

>45

4.10-6

 

Досить часто лінії затримки використовуються, як смугові фільтри. В першому наближенні, якщо знехтувати впливом ширини штирів на частотну характеристику ЗШП, то амплітуду поверхневої акустичної хвилі А(t) можна записати у вигляді суми дельта функцій

                                              (10.17)

де А0 - амплітуда акустичної хвилі, що збуджується парою штирів, (-1)k - функція, котра враховує те, що на кожному проміжку між штирями h відбувається зміна знака електричного поля. Знайдемо частотну характеристику ЗШП

                                                                   (10.18)

Для знаходження А() підставимо в (10.18) вираз для А(t) із (10.17), тоді

    (10.19)

де tk=t0+k(h/va)=t0+k(/0). За допомогою формули для суми геометричної прогресії, знайдемо

                        (10.20)

або

         (10.21)  

Таким чином, частотна характеристика при частотах m = (2m+1)0 набуває вигляду

                                 (10.22)

             

Рис.10.24. Графік функції

Рис. 10.25. Схема, що дає можливість здійснити амплітудний код

Така характеристика притаманна фільтрам. Вона зображена на схематичному рис.10.24. Видно, що смуга пропускання  залежить від параметрів ЗШП. Так на рівні f()=0,3 0,3=2va/Nh, а на рівні - 0,7 0,7=va/Nh. Таким чином, вибором певних значень періоду ЗШП h і кількості штирів N можна змінювати смугу пропускання фільтра.

Дисперсійні лінії можна використовувати для здійснення систем кодування та прийому кодованого сигналу. Приклад такої системи зображений на рис.10.25. На ньому також схематично зображені вхідний, кодовий та вихідний сигнали.

Задача:

Для напівпровідникової лінії: ;

Для акустичної лінії: ;    Тому  


5. Обґрунтуйте різницю у впливі просторового електричного заряду на електричний струм у вакуумному і напівпровідниковому діодах.

Різниця полягає в тому, що рух заряду (електричного струму) у вакуумі відбувається без втрат, а в напівпровіднику присутнє відбиття, тертя , тобто деякі втрати. Отже, електричне поле неперервно прискорює заряд у вакуумному діоді – заряд рухається з прискоренням. А в напівпровідниковому діоді рух відбувається з відповідною сталою швидкістю.

До того ж, генераційний струм р-n переходу напівпровідника пропорційний товщині області просторового заряду. При прикладанні до р-n переходу напруги в прямому напрямку, то збільшується концентрація носіїв заряду в ОПЗ і переважають процеси рекомбінації. А для вироджених н/п ширина ОПЗ така, що можливе тунелювання носіїв заряду із заповнених електронами областей n- чи p-типу н/п на вільні p- чи n-типу н/п. У той же час для р-n переходу на вироджених н/п струми над бар’єром ОПЗ дуже малі внаслідок значної висоти бар’єра.


6. Одиниці вимірювання інформації. Поняття про машинне слово.

Біт (bit) — (рос. бит, {{lang-en|bit} - шматочок}, нім. Bit)-

У теорії інформації — мінімальна одиниця кількості інформації, яка дорівнює одному двійковому розряду.

Один із двох символів (0 і 1), застосовуваних для представлення даних у двійковій системі числення. Число бітів пам'яті ОЕМ визначається максимальною кількістю двійкових цифр, які в ній вміщаються. Число бітів даних — це кількість двійкових розрядів, в яких вони записані.

8 бітів дорівнюють одному байту.

Байт (byte) - одиниця виміру об'єму даних. Найменша адресована одиниця пам`яті ЕОМ. Містить 8 бітів.

Мегабайт (megabyte) - одиниця виміру об'єму даних. Дорівнює 1 048 576 (220) байт або 1024 кілобайт.

Назва «Мегабайт» є загальноприйнятою, але формально неправильною, оскільки префікс мега- значить множення на 1 000 000, а не 1 048 576. Правильним є вживання двійкового префіксу мебі-. Цією неоднозначністю користуються виробники твердих дисків, які при маркуванні своїх пристроїв вважають 1 000 000 байт, а під гігабайтом — 1 000 000 000 байт.

Найбільш оригінальне трактування термина мегабайт використовують виробники комп’ютерних дискет, які вважають 1 мегабайт за 1 024 000 байта. Таким чином, дискета, на якій вказана ємність 1,44 Мбайт насправді вміщує лише 1440 Кбайт, тобто 1,41 Мбайт у звичайному розумінні.

У зв’язку з цим, мегабайт буває коротким, середнім та довгим:

• короткий - 1 000 000 байт

• середній - 1 024 000 байт

• довгий - 1 048 576 байт

Машинное слово в ЦВМ, упорядоченный набор символов (цифр, букв и т. д.), хранящихся в оперативном запоминающем устройстве и воспринимаемых при обработке устройствами машины как единая кодовая группа (слово). М. с. в ЦВМ служит единицей информации. М. с. могут быть числами, командами, буквенными или буквенно-цифровыми данными. М. с. состоит из разрядов (положений символов), нередко связанных между собой и для различимости перенумерованных. Количество разрядов определяет длину М. с., которая может быть постоянной (например, в М-220, БЭСМ-4, «Минск-22») или переменной (как, например, в «Урал-14», БЭСМ-6, ИБМ-360). При переменной длине М. с. более полно используется память машины. В одной ячейке памяти может размещаться несколько М. с., одно целое М. с. или часть его. В соответствии с этим производится адресация всего М. с., начала и конца его или только начала, но с обязательным указанием длины. Команды и числа чаще всего имеют равную длину (например, в БЭСМ-4 — 45 двоичных разрядов, «Минск-22» — 37 двоичных разрядов) и занимают одну ячейку памяти.


7. Обґрунтуйте переваги використання транзисторів інтегральних мікросхем з бар’єром Шотткі.

Крім ізольованого затвора використовують також затвор у вигляді випрямляючого контакту метал-напівпровідник із бар’єром Шотткі. Такі транзистори називаються транзисторами з бар’єром Шотткі (англ. metal-semiconductor-field effect transistor або скорочено MESFET).

Цей різновид n+-p-n транзистора відрізняється від планарно-дифузійного n+-p-n

транзистора тим, що металевий контакт бази частково перекриває колекторну область, як це показано на рис.1. На границі Si n-типу із шаром алюмінію утворюється збіднений носіями приповерхневий шар, тобто утворюється бар’єр Шотткі. Це означає, що частина електричного кола колектор-база буде шунтована діодом Шотткі, зображеним на електричній схемі на рис.1. Такий транзистор називається біполярним транзистором з бар’єром Шотткі.

В активному робочому стані й у режимі відсічки, коли VCB < VdSh, діод Шотткі закритий, тому що він зворотно зміщений напругою VCB > 0, і не впливає на роботу транзистора. У процесі формування імпульсу, коли на базовий електрод подається імпульс базового струму IB > I(1-)/, крізь транзистор починає йти струм і потенціал колектора відносно бази зменшується й стає від’ємним VCB < 0. На діоді Шотткі виникає пряме зміщення, при якому він стає провідним. Унаслідок цього більша частина базового струму йде тепер крізь діод Шотткі й він шунтує електричне коло база колектор. Наявність діоду з бар’єром Шотткі прискорює розсмоктування просторового заряду в області колектора і тому інерційність транзистора зменшується. Це зменшення можна оцінити за допомогою співвідношення

У сучасних транзисторах значеннянс.

Затвори з бар’єром Шотткі полегшують створення транзисторів на основі GaAs.

Це є важливим, бо для того щоб уникнути утворення механічних напружень та дислокацій на контакті, використовують напівпровідники з майже однаковими кристалічними ґратками, але різною шириною заборонених зон. Для цього, здебільшого, використовують напівпровідникові сполуки АIIIBV та AIVBVI та їх тверді розчини, наприклад, GaAs (із забороненою зоною Еg2 = 1,45 еВ). До того ж, затвори з бар’єром Шотткі зменшують послідовний опір та збільшують граничну частоту таких транзисторів, адже гранична частота транзистора визначається часом прольоту неосновних носіїв заряду крізь базу. Типові значення величини . Для зменшення інверсного коефіцієнта передачі (підсилення)  намагаються збільшувати відстань між контактами бази й емітерів і створюють діод Шотткі в області базового електрода. Це призводить до того, що  стає меншим за 0,001.


8 Визначити вміст домішок в плівці Al, котра отримана напиленням в вакуумі 2.10-5 А.с-1 з швидкістю

напиленням 10А.с-1. Коефіцієнт прилипання залишкових газів дорівнює 0.8. Густина Al r=2.7 г.см-3.

Потік атомів домішки на напилювану поверхню:

, де

К-ть атомів домішки що прилипають : , де - коеф. прилипання.

Отже концентрація домішки буде:


9. Обґрунтуйте основні умови необхідні для створення детекторів  е/м хвиль оптичного діапазону.

Детекторів  е/м хвиль оптичного діапазону це фотодетектори. В них відбувається перетворення оптичних сигналів - модульованих оптичних хвиль, що поглинаються детектором, і перетворюються в електричні сигнали. Розрізняють теплові та фотоелектричні детектори світла. В теплових фотодетекторах енергія світлових квантів після різноманітних процесів, що відбуваються у речовині за участю збуджених електронів,  передається її атомам (молекулам), які починають швидше рухатись. Підвищення температури або поява градієнту температури в речовині детектора є причиною появи таких ефектів, які можна використати для оцінки величини оптичного сигналу:

  •  залежність поляризації піроелектричних кристалів від температури (Р = T ) піроелектричний ефект, який використовується в піроелектричних фотоприймачах;
  •  залежність тиску газу від температури р = kT/V в замкненому обємі, що використовується в комірках Голея (в цих детекторах зміна тиску додатково перетворюється в електричний сигнал);
  •  деформація та розширення твердих тіл при нагріванні;
  •  залежність термоелектрорушійної сили від градієнту температур - явище Зеебека;
  •  зміна електроопору, надпровідності від температури, що використовується в болометрах.

В фотоелектронних детекторах енергія світлових квантів, що поглинаються, передається електронній підсистемі речовини детектора. Збуджені носії заряду змінюють стан свого руху, внаслідок чого виникають такі явища, як зовнішній та внутрішній фотоефект, які дозволяють перетворювати оптичний сигнал в електричний.

Фотодетектори повинні мати такі характеристики:

  •  однаковий з генераторами спектральний діапазон;
  •  узгоджену з генераторами інерційність  фотовідгуку;
  •  значну квантову ефективність, достатню для детектування оптичних сигналів від генератора;
  •  значну чутливість;
  •  значне відношення сигнал/шум або значну виявну здатність D*, достатню для  реєстрації сигналу від генератора;

мініатюрність

технологічність та малий розкид параметрів, сумісність  з фотогенераторами, лініями оптичного  звязку та  іншими  елементами мікроелектроніки як в  процесі їх виготовлення, так   і   в процесі спільної роботи

Приклади: фоторезистори, фотодіоди, фото діоди з бар’єром Шотткі, ПЗЗ структури....  


10. Процесор та його функції в ЕОМ.

Відповідь по шпорам минулих років.

Центральный процессор (ЦП) управляет функционированием всей системы и выполняет функции обработки информации. В состав ЦП входят: устройство управления, (управления прочими компонентами ЦП и, следовательно, всем компьютером). Арифметическое и логическое устройство (АЛУ), (выполняет все операции, связанные с содержательной обработкой информации). Регистры, (хранят оперативную информацию во время выполнения процессором текущей операции). Внутренние связи ЦП – некоторый механизм, обеспечивающий совместную работу трех прочих компонентов ЦП.

Структура процессора.

Операции которые выполняет поцессор при обработке машинной команды.

  •  - Извлечение команды – процессор считывает команду из памяти.
  •  - Интерпретация команды – процессор расшифровывает команду и определяет, какие операции ему предстоит выполнить.
  •  - Извлечение данных – для выполнения команды может потребоваться прочесть данные из памяти или из модуля ввода-вывода.
  •  - Обработка данных – выполнение команды может потребовать преобразования данных, то есть выполнения над ними определенных арифметических или логических операций.
  •  - Запись данных – если в процессе выполнения команды данные были изменены, результат необходимо где-то зафиксировать. В частности, результат может быть записан в память или передан в модуль ввода-вывода.

Чтобы выполнить перечисленные операции, процессору требуются определенные средства временного ранения информации. Ему нужно помнить, где находится выполняемая команда, и тогда можно будет определить, откуда выбрать следующую. Ему нужно хранить коды команд и данных во время их обработки. Другими словами, процессор нуждается собственной внутренней памяти.

На рисунке представлена структурная схема процессора:

Главными компонентами процессора являются арифметическое и логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Набор регистров это и есть внутренняя память процессора.

Набор регистров процессора представляет память самого верхнего уровня (то есть это даже круче чем кэш). Регистры процессора разделяются по функциям.

------------------Дальше информация для маньяков.--------------------------

Регистры бывают программно доступные – они позволяют программисту, разрабатывающему программы на машинном языке или на ассемблере минимизировать в программе обращение к оперативной памяти и, где это возможно, использовать для хранения промежуточных результатов быстродействующую внутреннюю память процессора.

А бывают регистры управления и состояния  - они используются для управления функционированием процессора. К этим регистрам могут иметь доступ специальные привилегированные команды, которые используются только в программах операционной системы.


11. Обгрунтуйте використання методів ізоляції елементів інтегральних мікроелектронних схем за допомогою зворотно зміщенних p-n переходів. Проаналізуйте їх позитивні та негативні риси. Наведіть приклади. (Н-Ш с. 401-402)

Відповідь по шпорам минулих років.

Дуже часто елементи напівпровідникових ІС виявляються зв’язаними через підкладинку, тому виникає необхідність їх ізоляції для того, щоб здійснювався зв’язок між окремими елементами лише через металеві контакти.

Існують 4 типи ізоляції ІМС, а саме:

  •  за допомогою зворотно зміщених р-n переходів,
  •  за допомогою тонких плівок SiO2,
  •  за допомогою діелектричних, шарів відмінних від SiO2,
  •  за допомогою повітряних проміжків.

Ізоляція за допомогою зворотно зміщених р-n переходів

На рис 12.29 зображений поперечний переріз ІМС з ізоляцією за допомогою

зворотно зміщених р-n переходів.

Рис.12.29 Поперечний розріз ІМС з ізоляцією за допомогою зворотно зміщених р-n переходів.

Цей різновид ізоляції називають також діодною ізоляцією. Видно, що між окремими елементами ІМС знаходяться р-n переходи. Якщо за допомогою зовнішнього джерела напруги зворотно змістити всі р-n переходи, то між ними не буде йти струм і вони служитимуть ізолюючими прошарками між окремими елементами ІМС. Для створення такої ізоляції, як це видно з рис.12.29, витрачається частина простору підкладинки протяжністю dd, що зменшує густину монтажу.

Рис.12.30. Типові елементи твердотільних напівпровідникових ІМС: а) –

транзистор, б) – діод або ємність, в) – резистор.

Цей спосіб ізоляції приваблює тим, що не виникає потреби вводити додаткові технологічні операції. Дійсно, всі елементи ІМС транзистори, діоди, ємності, резистори та діодна ізоляція виготовляються у приповерхневій частині напівпровідникової підкладинки за допомогою однакової технології. Усе це разом із позитивними схемотехнічними якостями напівпровідникових елементів забезпечує широке практичне використання твердотільних напівпровідникових схем у мікроелектроніці. Проте метод діодної ізоляції має також свої недоліки, а саме:

  •  необхідність використання зовнішнього джерела напруги для створення зворотногозміщення на р-n переходах між елементами ІМС;
  •  складність еквівалентних схем, тому що потрібно додатково враховувати ємності зворотно зміщених р-n переходів;
  •  наявність гальванічних зв’язків між зворотно зміщеними р-n переходами тощо.


12. Запропонуйте та обґрунтуйте методи оцінки гомогенності при поверхневих шарів двохкомпонентних зразків методами електронної спектроскопії.

Відповідь більше з категорії «загальні знання» + Оура, Лифшиц «Введение в физику поверхности».

С помощью электронной спектроскопии изучают электронную структуру поверхности, анализируя энергетический спектр вторичных электронов, испускаемых образцом. Генерация вторичных электронов чаще всего происходит за счёт бомбардировки поверхности электронами или фотонами (другие частицы также используют (например, ионы или атомы), но значительно реже). Типичные энергии вторичных электронов, используемых для анализа поверхносит, лежат в диапазоне 5-2000эВ. Чувствительность электронной спектроскопии к поверхности является следствием того факта, что электроны с энергией из этого диапазона сильно рассеиваются в твердом теле. На рис. 4.1 представлен график экспериментальных значений длины пробега до неупругого рассеяния как функции кинетической энергии электронов. Хотя конкретные значения конечно зависят от материала образца и энергии электронов, однако можно вдиеть, что во всем диапазоне энергий величина длины пробега до неупругого рассеяния составляет порядка нескольких десятков А°, а в интервале 20-200эВ она меньше 10А°.


13. Проаналізуйте умови умови стаціонарної генерації випромінювання напівпровідникових лазерів. Як зміниться критична гутсина струму, якщо ширина робочого тіла інжекційного лазера зміниться вдвічі?

Відповідь по шпорам минулих років.

Рис. 7.1. Схема будови напівпровідникового лазера на гомопереході з оптичним резонатором Фабрі-Перо.

Лазери збуджуються струмом накачки I, що протікає крізь р-n  перехідПри малих струмах накачки (I) рекомбінаційна люмінесценція  утворюється спонтанними переходами збуджених в зону провідності електронів на  вільні рівні валентної зони. При збільшенні струму накачки зростає кількість інжектованих електронів та інтенсивність рекомбінаційної люмінесценції L (рис.7.2 при 0 I Iс). Коли струм накачки стає більшим деякої критичної величини (I Iс), вимушені переходи призводять до сильного зростання інтенсивності випромінювання L (рис.7.2.А) і зменшення ширини його спектрального розподілу (рис.7.2.Б). За цих умов лазери генерують монохроматичне когерентне світло в межах спектральної смуги люмінесценції з довжиною   hQ ([мкм] = Q-1), де Q – ширина забороненої зони в еВ.

  

Рис.7.2. Залежність потужності 1) і спектрального розподілу 2) випромінювання інжекційного лазера на р-n гомопереході від густини струму накачки.

Схема напівпровідникового гомолазера з оптичним резонатором Фабрі-Перо зображена на рис. 7.1. До його складу, як до складу кожного лазера, входять три елементи, а саме:

активне середовище (робоче тіло) спроможне збуджуватись до стану інверсії населеності, необхідного для підсилення світла  за рахунок вимушеного випромінювання частинок, що рекомбінують;  

система накачки для переведення активного середовища в стан інверсної населеності,

оптичний резонатор, що забезпечує відбір резонансних мод, позитивний зворотний зв’язок та вивід світла із тіла лазера і перетворює підсилювач світла в генератор. Резонансні моди синфазно складаються між собою, утворюючи направлений когерентний світловий потік. Якщо активне середовище лазера збуджене до стану інверсної населеності, то такий світловий промінь підсилюється за рахунок вимушеного випромінювання. Коли підсилення компенсує втрати підсилювач перетворюється в генератор світла.

Умови генерації випромінювання:

Тепер розглянемо пороговий струм накачки (Iс) лазера з резонатором Фабрі-Перо, дзеркала якого знаходяться на відстані L один від одного і мають однакові коефіцієнти відбивання світла R1  = R2 = R. Активний шар лазера розташований між дзеркалами резонатора майже вздовж нормалі до їх поверхні. Інжекція носіїв здійснюється в напрямку перпендикулярному до площини р-n переходу (рис.7.5). Для генерації когерентного світла - лазерного ефекту необхідно, щоб його підсилення в активному шарі компенсувало всі можливі втрати, зв’язані з частковим пропусканням і поглинанням світла дзеркалами резонатора, розсіянням і поглинанням світла в тілі лазера.

Рис.7.6. Схема одного проходу світлового променю а) і b) поперечний переріз лазера, на якому видно розбіжність розподілу оптичної моди і робочого тіла лазера.

Нехай зсередини на одне із дзеркал падає світловий потік з потужністю L0, де він відбивається і розповсюджується в зворотному напрямку (рис.7.6). На своєму шляху світло взаємодіє з речовиною і його інтенсивність змінюється. До другого дзеркала за один прохід дійде світло з інтенсивністю L L0. Враховуючи те, що світло в резонаторі розповсюджується, головним чином, вздовж нормалі до поверхні дзеркал, його інтенсивність може бути записана у вигляді

        (7.1)

де [см-1] - коефіцієнт оптичних втрат на шляху одиничної довжини, act [см-1] - коефіцієнт підсилення світла на одиниці довжини збудженого активного шару, - коефіцієнт утримування (обмежування) світла. Він введений для того, щоб врахувати, що через дифракцію поперечний просторовий розподіл світлової хвилі (резонансної поперечної моди) - її поперечний розмір d0  в резонаторі більший за товщину активного шару da (d0 > da) (рис.7.5.b). Це означає, що лише частина фотонів лазерних мод залишиться в межах активного шару, що зменшує коефіцієнт підсилення в разів. Саме ця частина фотонів викличе вимушене випромінювання, яке підсилює світло. Тому добуток асt називається коефіцієнтом підсилення моди резонатора. Коефіцієнт утримування (обмеження) світла залежить від da/d0. При da/d0 < 0,1    (da/d0)m, де m < 2, при 0,1 < da/d0  <1   da/d0, а при da/d0 > 1 залежність насичується і прямує до 1.

На порозі генерації ефективне підсилювання світла повинно перевищувати його втрати, тобто повинна виконуватись умова L L0,  або з урахуванням формули (5.10)

                                 act  R                                 (7.2)  

де R = (1/D)ln(1/R)[см-1] - коефіцієнт втрат на  випромінювання крізь дзеркала  резонатора. Таким чином, на порозі генерації коефіцієнт підсилення світла активним шаром прямо пропорційний концентрації електронів (дірок) ne в активному шарі

                                 act = е(ne - nеg)                     (7.3)

е - ефективний переріз вимушеного випромінювання, nеg – порогова концентрація носіїв, при якій гаситься міжзонне вимушене поглинання і починається підсилення світла. Ефективний переріз вимушеного випромінювання залежить від природи речовини  через коефіцієнт Ейнштейна А, довжини хвилі і форми контуру спектральної лінії. Для гаусівської спектральної лінії з довжиною хвилі і напівшириною спектрального контуру  

                                 (7.4)

де сп - середній час життя носіїв в даному стані при спонтанних переходах ( 1/сп = A), - довжина хвилі в активному середовищі з показником заломлення активного середовища лазера na (  сna). Підстановка (7.2) і (7.3) в формулу (7.4) дає таку умову появи лазерного ефекту

                           е(ne-nеg) = + R                              (7.5)

де концентрація носіїв на порозі генерації neg визначається пороговим струмом накачки Ic.

                                                             (7.6)

де Jc = Ic/S - порогова густина струму накачки, S-площа р-n  переходу, крізь який відбувається інжекція носіїв, w-ширина смужки активного шару, - час генерації носіїв. Комбінуючи (7.5) і (7.6) остаточно отримаємо такий вираз для порогової густини струму накачки

                                       (7.7)

де in = еneg.  

Як зміниться критична густина струму, якщо ширина робочого тіла інжекційного лазера зміниться вдвічі:

                   

Рис.7.7. Залежність густини порогового струму від товщини активного шару гетеролазера на основі AlxGa1-xAs.

Порогова густина струму накачки є важливою величиною, яка характеризує втрати в лазері. Із формули (7.7) видно, що вона залежить від товщини активного шару da. Ця залежність має мінімум, тому що при da/d0 > 1 коефіцієнт прямує до 1 і не залежить від da, а при da/d0 < 0,1  коефіцієнт утримування починає зменшуватись при зменшені da за формулою   (da/d0)m. Тому при малих товщинах активного шару порогова густина струму  зростає, а при великих - зменшується при зменшенні da (рис.7.7).

Там де лінійна залежність, то порогова густина струму накачки прямо пропорційна ширині робочого тіла, і , якщо ширина робочого тіла інжекційного лазера зміниться вдвічі то і густина струму накачки зміниться вдвічі.


14. Обгунтуйте переваги використання кремнію при виготовленні інтегральних мікросхем.

Відповідь по шпорам минулих років.

Здебільшого активні підкладки виготовляють із кремнію. Активні підкладки служать напівпровідниковим матеріалом для формування ІМС у їх приповерхневих шарах. Він має такі позитивні якості:

  1.  велику ширину забороненої зони (∼1,1 еВ), що забезпечує малі зворотні струми в р-n переходах, малі паразитні зв’язки, значний інтервал робочих температур -70120С;
  2.  досить велику теплопровідність, що дозволяє розсіювати значну потужність на рівні до 1,45 Вт·град-1·см-2, котра виділяється під час роботи схеми;
  3.  унікальні хімічні та діелектричні властивості насиченого оксиду кремнію (SiO2), що дозволяє використовувати його як маску при металізації та формуванні елементів ІМС за допомогою термодифузії і як ізолятор у МДН-структурах тощо.
  4.  Si є досить поширеним у природі.

Крім того, коефіцієнт інжекції або ефективність емітера визначає, яка частина струму носіїв, що інжектують у базу, бере участь у емітерному струмі. , , wВ -ширина бази, Lp - довжина дифузії дірок. Аналізуючи вираз для коефіцієнта інжекції , можна стверджувати, що для збільшення потрібно зменшувати час прольоту неосновних носіїв у базі, який обернено пропорційний їх рухливостіоскільки ,то ,і тому базу бажано робити із кремнію р-типу.

Si є елементом 4-ї групи періодичної системи, отже, має 4-и валентні електрони. Є можливість створення донорної та акцепторної провідності. Наприклад, донорою домішкою є фосфор, який дуже добре розчиняється у кремнії, що полегшує виготовлення n+ емітера. Загалом, саме існування двох типів провідності визначає специфічні властивості Si.

Також Si використовується і в поєднанні з тонкоплівковими технологіями.

Плівкові варіанти уніполярних транзисторів за своєю будовою схожі на МОН транзистори, створені на основі монокристалічного кремнію і відрізняються від них тим, що їх підкладкою слугує поверхня діелектрика. У залежності від матеріалу діелектричної підкладки розрізняють такі різновиди структур: кремній на сапфірі, кремній на шпінелі, кремній на нітриді та кремній на оксиді кремнію. Фізичні властивості та основи роботи уніполярних плівкових транзисторів майже не відрізняються від фізичних властивостей МОН транзисторів на основі монокристалічного кремнію. Відмінною позитивною рисою плівкових транзисторів є значно краща ізоляція окремих приладів у ІМС завдяки діелектричній підкладинці, яка має кращі ізолюючі властивості по відношенню до кремнієвої підкладинки звичайних МОН транзисторів. Внаслідок недосконалості виготовлення бездефектних напівпровідникових плівок рухливість носіїв у них є меншою, ніж у кристалічних зразках. Тому плівкові активні елементи поступаються за своїми параметрами елементам, що виконуються на кристалах.


15. Проаналізуйте, в яких випадках доцільно використання методів ізоляції елементів ІМС за допомогою шарів діелектриків або повітряних проміжків.(Н-Ш с.403-404)

Ізоляція за допомогою діелектриків відмінних від SiO2

Рис.9.27.Ізоляцією ІМС за допомогою ситалу: 1) з n+-p-n транзисторами і 2) з МОН транзисторами.

     Цей спосіб подібний до способу ізоляції за допомогою тонких шарів SiO2 за виключенням того, що замість SiO2 використовують інші діелектрики, наприклад, ситал. На рис.9.27 зображено поперечний переріз n+-p-n і МОН транзисторів ІМС при ізоляції окремих елементів ІМС ситалом. Ситал не тільки служить ізолятором, але й може служити матеріалом, що дає можливість покращити тепловідвід від робочих частин ІМС, бо ситал має велику теплопровідність. При такому методі ізоляції необхідно пам’ятати, що діелектрики, котрі використовують для ізоляції повинні мати близькі за величиною температурні коефіцієнти лінійного розширення до температурного коефіцієнта лінійного розширення кремнію. В цьому разі при роботі ІМС не виникають додаткові напруження і ІМС стають більш надійними.

Ізоляція повітряними проміжками

     Приклад такої ізоляції зображений на рис.9.28. Вона виготовляється таким чином. На кремнієвій підкладинці спочатку виготовляють ІМС. Їх захищають за допомогою оксиду кремнію і припаюють до скляної або ситалової пластинки. Після цього за допомогою фотолітографії створюють на тильному боці вікна в руйнівній масці і крізь ці вікна витравлюють необхідний профіль мезаструктури з повітряними проміжками, показаний на рис.9.28.  Найчастіше метод повітряної ізоляції застосовують при виготовлення  ІМС на основі кремнію на сапфірі. На сапфіровій

Рис.9.28. Мезоструктура. Ізоляція повітряними проміжками.

підкладинці спочатку формують острівці кремнію з ізольованими елементами. Для їх формування застосовують методи епітаксійного вирощування монокристальних плівок. Потім на цих плівках груповим методом виготовляють окремі ІМС і здійснюють їх зєднання.

Проте найбільш перспективними з точки зору збільшення густини монтажу є комбіновані методи ізоляції елементів ІМС.

16. Запропонуйте та обґрунтуйте можливість створення довільного профілю активних домішок за допомогою методу іонної імплантації.

Відповідь по шпорам минулих років.

Цей метод дозволяє вносити домішки в зразок, опромінюючи його іонами певної енергії. Здебільшого це внесення активних молекул донорних чи акцепторних напівпровідників наприклад в кристал кремнію Si. Це домішки P,As,Sb – 5група, та In – 3 група.

Взаємодіючи з кристалом іони з енергією , атомним номером , та масою  гальмуються, й зупинившись утворюють зв’язки з атомами Si, причому розподіл домішок по кристалу має Гаусів профіль, середнім значенням глибини проникнення , та дисперсією . Початкова енергія іонів лежить в межах . Глибина залягання домішок залежить від початкової енергії, як: , де . А середнє значення, де має місце максимум домішок: , де  – для важких іонів, а  – для легких іонів (наприклад B). А дисперсія: .

Тоді кількість домішок на певній довжині зразка буде визначатись, як: , де  – максимальна кількість домішок. Доза визначається, як:  – кількість іонів, які залишатимуться в середині твердого тіла, бо можливо, що вони просто відскакуватимуть від кристала.  звідси .

Підемо далі, якщо використовувати декілька процесів іонної імплантації, при різних початкових енергіях домішок, то різних дозах, які підбираються, з теоретичного розрахунку, то в зразку можна створювати таку концентрацію домішок, яка необхідна в даному випадку. При використанні декількох

Гаусівських розподілів, можна створити розподіл, який буде прямувати до прямувати до прямокутному в ідеальному випадку. Дивись малюнки:

17.Обгрунтуйте умови утворення p-n переходів та шару Шотткі та позитивні риси діодів з бар’єром Шотткі

 

На рис. 3.2 показана электрическая структура р-п-перехода. Для наглядности разница в концентрациях основных носителей пп0 и р0 принята меныцей, чем это имеет место в действительности . Поскольку концентрация электронов в слое п значительно больше, чем в слое р, часть электронов диффундирует из слоя п в слой р. При этом в слое р вблизи металлургической границы окажутся избыточные электроны. Эти электроны будут рекомбинировать с дырками до тех пор, пока не будет выполнено условие равновесия. Соответственно концентрация дырок в этой области уменьшится и «обнажатся» некомпенсированные отрицательные заряды акцепторных атомов. Слева от металлургической границы «обнажатся» некомпенсированные положительные заряды донорных атомов, от которых ушли электроны (рис. 3.2, б). Аналогичные рассуждения можно провести для дырок, которые диффундируют из слоя р в слой п. Однако в одностороннем переходе, в котором рр0 «пп0, перемещение дырок мало существенно, так как их градиент концентрации несравненно меньше градиента концентрации электронов.

Образовавшиеся объемные заряды и связанные с ними поля обеспечивают равновесие в области p-n-перехода. Область объемных зарядов называют обедненным слоем, имея в виду резко пониженную концентрацию подвижных носителей в обеих ее частях.

В большинстве случаев p-n-переход можно идеализировать так, как показано на рис. 3.2, в, т.е. полностью пренебречь наличием свободных носителей в переходе и считать границы перехода идеально резкими. Такая идеализация упрощает решение многих задач.

Переход в целом нейтрален: положительный заряд в левой части равен отрицательному заряду в правой части. Однако плотности зарядов резко различны  (из-за различия в концентрациях примесей). Поэтому различны и протяженности обедненных слоев: в слое с меньшей концентрацией примеси (в нашем случае в р-слое) область объемного заряда значительно шире. Как говорят, несимметричный переход сосредоточен в высокоомном слое.

Следует обратить внимание на тот факт, что внутри р-п-перехода имеется участок с собственной, т.е. минимальной концентрацией носителей. Поэтому область перехода является наиболее высокоомной частью всей диодной структуры. Удельное сопротивление в этой области на несколько порядков превышает удельные сопротивления нейтральных п- и р-областей.

Структура и свойства контактов металл-полупроводник зависят в первую очередь от взаимного расположения уровней Ферми в том и другом слое. На рис. 3.11 вверху показаны зонные диаграммы разделенных слоев, а внизу — зонные диаграммы соответствующих контактов (после «соприкосновения» слоев и установления равновесия).

Обмен электронами между металлом и полупроводником обычно характеризуют не разностью «исходных» уровней Ферми, а разностью работ выхода. Работой выхода электрона из твердого тела называют энергию, необходимую для вылета за пределы кристалла (т.е. для термоэмиссии). На зонных диаграммах работа выхода есть энергетическое «расстояние» между уровнем свободного электрона вне твердого тела и уровнем Ферми. На рис. 3.11 работы выхода из металла и из полупроводника обозначены соответственно через ум и cps. Разность работ выхода q>MS = фм - cps, выраженную в вольтах, называют контактной разностью потенциалов.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота (pso является аналогом величины Аф0 в p-n-переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения

Диоды Шоттки. Важнейшей особенностью диодов Шоттки по сравнению с р-n-переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей. Эти диоды, как говорят, работают на основных носителях. Отсюда следует, что у диодов Шоттки отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе. Отсутствие диффузионной емкости существенно повышает   быстродействие   диодов при изменениях токов и напряжений, в том числе при переключениях с прямого направления на обратное и с обратного на прямое. Время таких переключений определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять десятые и сотые доли наносекунды. Соответствующие рабочие частоты лежат в пределах 3-15 ГГц.

Не менее важной особенностью диодов Шоттки является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на ^-n-переходе. Это объясняется тем, что ВАХ у диодов Шоттки описывается той же формулой (3.14), что и у ^-n-переходов, но тепловой ток существенно больше, поскольку диффузионная скорость D/L, характерная для ^-п-перехода [см. (3.16)], у диода Шоттки заменяется на среднюю тепловую скорость носителей vT. Последняя превышает величину D/L примерно на 3 порядка. В таком же отношении различаются и тепловые токи. Тогда из формулы (3.18) следует, что прямое напряжение у диодов Шоттки будет примерно на 0,2 В меньше, чем ^-n-перехода. Типичным для диодов Шоттки являются прямые напряжения 0,4 В. Что касается обратных токов, то они могут составлять, в зависимости от площади, до 10_11-10"12 А, т.е. близки к реальным обратным токам кремниевых ^-п-пе-реходов, определяемым термогенерацией.

Еще одна особенность диодов Шоттки состоит в том, что их прямая ВАХ строго подчиняется экспоненциальному закону (3.14) в очень широком диапазоне токов — на протяжении нескольких декад, например, от 10~12 до 10"4 А. Отсюда следует возможность использования диодов Шоттки в качестве прецизионных логарифмирующих элементов в соответствии с соотношением (3.18).

Качественные барьеры Шоттки образуются в кремнии при контакте с такими металлами, как молибден, нихром, золото, платина (точнее, сплав платины с кремнием — силицид платины), а также алюминий — основной материал для металлизации в ИС.


18. Проаналізуйте причини появи залежності електропровідності металевих плівок від їх товщини: (Це класичний розмірний ефект, можна з книжки чи з консп по Ковалю) (Находкін 37-38)

- квантовий розмірний ефект, коли D  > d 

При розгляді кінетичних (транспортних) ефектів в обмежених кристалах, коли ефективна довжина вільного пробігу ef  починає залежати від розміру кристала),  одночасно з розсіянням носіїв заряду на внутрішніх порушеннях кристалічної структури слід враховувати їх поверхневе розсіювання. Для опису ефектів поверхневого розсіювання звичайно використовують  дифузійне наближення. В цьому наближенні припускається, що лише частина електронів  дзеркально розсіюється від поверхні кристала із зміною напрямку нормальної складової їх швидкості. Решта електронів  розсіюються дифузно з повною втратою напрямку імпульсу та енергії, набутої у зовнішньому полі. Таким чином, при дифузному розсіянні на поверхні вигляд функції розподілу носіїв заряду повертається до вигляду у незбуреному стані. Це означає, що поверхневе розсіювання призводить до неоднорідного розподілу носіїв заряду в просторі зразка, тобто до координатної залежності функції розподілу, внаслідок чого виникає залежність кінетичних коефіцієнтів від геометричних розмірів зразка.

Зробимо оцінку класичного розмірного ефекту для випадку однорідного, однодолинного, ізотропного напівпровідника. В ньому відсутня міждолинна релаксація (vm ) і Е >p. Обмежимося також розглядом лише тих носіїв заряду, котрі знаходяться поблизу  дна зони провідності або біля стелі валентної зони. Розглянемо випадок Т=0 і B=0. Тобто розглядається випадок провідності напівпровідникового зразка подібний до електропровідності відповідного металевого зразка. У цьому випадку

  р = p/v     (2.18)

Нехай зразок має вигляд тонкої плівки товщиною d, на границях якої фактор дзеркальності , тобто носії струму на границях плівки розсіюються дифузно. Тоді при s>d із формули (2.15) можна записати:

  (2.19)

де v - довжина вільного пробігу рівноважних носіїв заряду.

Знаючи еf  із (2.19), можна визначити еf(d) та (d):

   (2.20а)

    (2.20б)

де v = ev/m - рухливість носіїв заряду в об’ємі зразка. Таким чином, співвідношення (2.20) описують класичний розмірний ефект, який полягає в залежності еф(d) або еф(d). .Класичний розмірний ефект має місце, коли фактор дзеркальності , v < d, та v > D, де D - довжина хвилі де Бройля носіїв заряду. Остання нерівність v > D обмежує різновиди напівпровідників, в яких може мати місце класичний розмірний ефект. Дійсно при умові v/D > 1 з урахуванням виразів для v і для D (v = mv/e, D = h/mv) маємо

   (2.23)

або

   (2.24)

де m0 - вакуумна маса електрона. Ця умова виконується для досить широкого кола напівпровідників Ge, Si, InSb, InAs, GaAs. Проте до цього часу класичний розмірний ефект в напівпровідниках експериментально не спостерігався, бо в них майже завжди існує приповерхневий вигин зон, що ускладнює спостереження цього ефекту.


19. Проаналізуйте причини розвитку функціональної електроніки:

Причинами є:

-необхідність гальванічної розвязки елементів(щоб елементи між собою не взаємодіяли)

-зменшення теплового випромінювання

-підвищення швидкодії

-можливість виконання складних операцій за рахунок використання інших фізичних явищ(перетвір фурє в лінзі, дифракція на акустичних хвилях, оптоелектронна модуляція та ін.)

Функціональна мікроелектроніка є одним із перспективних напрямків розвитку сучасної електроніки та мікроелектроніки.

Функціональною електронікою називають такий напрямок розвитку мікроелектроніки, в якому носієм інформації служить багатовимірний сигнал, наприклад, поле електромагнітної хвилі, параметрами якого керують динамічні неоднорідності середовища, котрі виникають в потрібний момент часу під дією керуючого сигналу і керовано переміщуються або змінюються під дією керуючого сигналу.

Функціональна електроніка в ідеалі поєднує позитивні риси фізичної або функціональної інтеграції, яка полягає у використанні різноманітних явищ, що відбуваються в твердому тілі і на його поверхні, для інтеграції різноманітних схемотехнічних функцій та функціональних пристроїв, з позитивними рисами, притаманним груповим методам їх виготовлення тобто з позитивними рисами технологічної інтеграції електронних мікросхем, а також використовує квантові розмірні ефекти, що дозволяє не тільки зменшувати розміри систем, але збільшувати їх ефективність

Функціональна (фізична) інтеграція має такі позитивні риси:

по-перше, завдяки функціональній інтеграції зменшується кількість міжелектродних зєднань, що при однакових із звичайною мікроелектронікою функціональних можливостей забезпечує більшу надійність функціональних пристроїв,

по-друге, нові функціональні можливості електронних систем, що еквівалентне суттєвому збільшенню інтеграції по відношенню до звичайних інтегральних мікросхем (ІМС),

по-третє, можливість не тільки послідовної, але й паралельної обробки інформації, що забезпечує велику продуктивність систем обробки аналогової та цифрової інформації,

по-четверте, вона дозволяє використовувати груповий метод виговлення схем, що дозволяє зберігати переваги технологічної інтеграції, притаманні звичайній мікроелектроніці,

по-пяте, вона плідно використовує мікромініатюризацію, що в деяких випадках дозволяє ефективно використовувати квантові розмірні ефекти, зокрема при побудові мініатюрних інжекційних лазерів з подвійним електронним та оптичним обмеженням.


20. Запропонуйте алгоритми обробки експериментальних даних на прикладі електронної спектроскопії.(з голів Діми , можете списувати дослівно)

Електронна спектроскопія працює на основі декількох груп вторинних електронів, які створюються у результаті опромінення деякої області зразка сфокусованим електронним пучком.

Вторинні електрони поділяються на декілька характерних груп. Їх можна відрізняти по їх положенню на енергетичній діаграмі.

І – істинно вторинні

ІІ – оже-електрони (використовуються для кількісного аналізу складу поверхні зразка)

ІІІ – відбиті електрони(використовуються для аналізу топології поверхні зразка)

Також інформацію про хімічний склад зразка можна вилучити зі спектру характеристичного рентгенівського випромінювання.

Алгоритм проведення  досліджень подібний: для початку необхідно виміряти енергетичний спектр вторинних електронів. Це робиться за допомогою аналізаторів спектру у вигляді циліндричного зеркала чи за допомогою гальмівного поля.  Після цього необхідно визначити потрібні в саме цьому виді досліджень піки спектру. Порівнюючи значення енергії та інтенсивності експериментального піка з еталонними значенями можна оцінити хімічний склад та відсоткове співвідношення концентрацій елементів у зразку. Для оцінки топології зразка визначальним є кут відбиття від поверхні, який вимірює аналізатор.


21.Обгрунтуйте можливість застосування тунелювання для побудови активних елементів інтегральних елементів ( Находкін 176-190)


22. Проаналізуйте умови експериментального спостереження класичного розмірного ефекту. Чому він майже не спостерігається в нп/пр-х? Яквпливає вигин зон? (Находкін 37 - 38)

Розглянемо однорідний, однодолинний, ізотропний напівпровідник з плоскими зонами. В ньому відсутня міждолинна ралаксація (v ) і Е >p. Обмежимося також розглядом лише тих носіїв струму, котрі знаходяться на дні зони провідності або біля стелі валентної зони. Розглянемо випадок Т=0

і Н=0. В цьому випадку

                                           еф  р = p/v                                    (2.18)

Нехай зразок має вигляд тонкої плівки товщиною d, на границях якої фактор дзеркальності p  1, тобто носії струму на границях плівки розсіюються дифузно. Тоді при s>d із формули (2.15) можна записати:

        1…/еф = 1/v… + 1/s = 1/v(1 + s/v) = 1/v(1 + /d)       (2.19)

де - довжина вільного пробігу рівноважних носіїв струму. Знаючи еф …із (2.6), можна визначити еф(d) та (d):

              еф(d) = eеф/m* = (ev/m*)1/(1+l/d) = v(1+/d)-1         (2.20)

                (d)  = enеф(d) = v (1+/d)-1                                                        (2.21)

де v = ev/m* - рухливість носіїв струму в об’ємі зразка. Таким чином, співвідношення (2.21) описує класичний розмірний ефект, який полягає в залежності еф(d) або еф(d). .Більш точне доведення формули для (d) дає такі співвідношення:

                           / = 1+3/8(1- p)/d                   для  /d 1

           / = 4/3[(1-p)/(1+p)] 1/{d/(ln/d +0,42}   для  /d 1 (2.22)

Класичний розмірний ефект має місце, коли фактор дзеркальності , v < d, та v > D, де D - довжина хвилі де Бройля носіїв заряду. Остання нерівність v > D обмежує різновиди напівпровідників, в яких може мати місце класичний розмірний ефект. Дійсно при умові v/D > 1 з урахуванням виразів для v і для D (v = mv/e, D = h/mv) маємо

   (2.23)

або

   (2.24)

де m0 - вакуумна маса електрона. Ця умова виконується для досить широкого кола напівпровідників Ge, Si, InSb, InAs, GaAs. Проте до цього часу класичний розмірний ефект в напівпровідниках експериментально не спостерігався, бо в них майже завжди існує приповерхневий вигин зон, що ускладнює спостереження цього ефекту.


23. Обґрунтуйте необхідність використання оптичного каналу звязку в сучасній обчислювальній техніці

Канали для передачі оптичних сигналів, це світловоди. Взаємодія світла з речовиною із збереженням енергії використовується у світловодах. Здебільшого світловоди побудовані з тонких діелектричних плівок, або смужок в яких з допомогою взаємодії світла з речовиною вдається реалізувати направлене розповсюдження е/м хвиль у діапазоні 0,1-10 мкм так званий хвилеводний ефект. Цей ефект дозволяє  передавати високочастотні сигнали.

Іншою позитивною рисою хвилеводів є те ,що вони не вносять великих втрат. А саме з використанням структурно однорідних і прозорих матеріалів з гладкими границями  та з певним градієнтом показника заломлення  по товщині інтегрального оптичного хвилеводу вдається зменшити поглинання до 0,154 дб/км  для довжини хвилі  ~1,55мкм.

Наявність оптичної ланки забезпечує такі позитивні якості в обчислювальній техніці:

  •  Гальванічну розв’язку елементів схеми шляхом  використання оптичного каналу зв’язку між окремими електронними схемами.
  •  Одно направленість сигналів від джерела до приймача .
  •  Велику роздільну здатність та інформативну ємність
  •  Залежність параметрів оптичних сигналів  не тільки від часу але й від координати, це дозволяє робити тривимірну і двовимірну обробку сигналів
  •  Можливість використовувати при обробці сигналів крім амплітуди частоти і фази ще поляризації е/м хвиль.       


24 Як зміниться відношення струму колектора до струму бази в n-p-n транзисторі, включеному в схемі з спільним емітером, якщо ширина бази w  збільшиться вдвічі

(це задача №12.7 з книжки фіз основи мікроел. стор 409)

Як зміниться відношення струму колектора до струму бази в n-p-n транзисторі, включеному в схемі з

спільним емітером, якщо ширина бази w збільшиться вдвічі

У n+-p-n транзисторі відношення струму колектора до струму емітера в схемі СЕ має вигляд ():

, де Отже


25. Проаналізуйте умови, що необхідно виконати для створення ефективних біполярних транзисторів. (Н-Ш 391) + аналіз?

Операції, необхідні для створення ефективних біполярних транзисторів, можна розділити на такі групи:

  •  вилучення матеріалу підкладки або нанесеного шару (механічна обробка, хімічне, плазмохімічне та іонне травлення)
  •  нанесення матеріалу (створення плівок на підкладці, епітаксіальне нарощування шарів речовини)
  •  формування геометричних конфігурацій (плівкових елементів та вікон у плівках, інші обробки)
  •  формування на підкладці областей з різними електрофізичними характеристиками (дифузія, іонне легування тощо)
  •  термообробка для зміни властивостей матеріалу (відпал плівок, перекристалізація, «впікання» контактів)
  •  зварювання, паяння, герметизація корпусів
  •  контрольні та підгінні операції


26. Доведіть доцільність використання акустоелектроніки для обробки сигналів. (Н-С 50)

Акустоелектроніка є розділом електроніки, а якому вивчається й використовується взаємодія акустичних хвиль з електромагнітними полями та електронами провідності в конденсованих середовищах.

Можна виділити три класи акустоелектронних пристроїв:

  •  взаємодія електричних коливань з акустичними (прямий та обернений п’єзоефекти) – резонатори, фільтри, датчики;
  •  взаємодія акустичних хвиль, які поширюються в звуководі із швидкістю меншою швидкості світла – дисперсійні Лінії Затримки, без дисперсійні ЛЗ, фільтри, кодери;
  •  нелінійні акустоелектронні пристрої (у п’єзоелектричному звуководі струм залежить нелінійно від амплітуди звукової хвилі, бо концентрація електронів теж залежить від амплітуди звукової хвилі: )– фільтри, підсилювачі, кодери, модулятори.

У цих пристроях спочатку вхідний електричний сигнал перетворюється в акустичний. Акустичний сигнал надходить у звукопровід, який є середовищем, в якому акустичні хвилі поширюються та взаємодіють із статичними та динамічними неоднорідностями звукопроводу, створеними електромагнітними керуючими сигналами. Вихідний акустичний сигнал перетворюється в вихідний електричний сигнал, який надходить в електричний пристрій для подальшої обробки.

Якщо на звуководі розмістити 2 пари зворотно зміщеного штирьового генераторів так, щоб хвилі з них були перпендикулярні, то струм, що буде зніматись зі звуководу, буде пропорційний квадрату суми амплітуд цих сигналів . Якщо , то детектор фіксуватиме , тобто дуже просто маємо згортку двох сигналів, що рухається зі швидкістю vакуст. Так можна зробити сканер в часі без жодної рухомої частини. Тобто АЕ дозволяє швидко виконувати операції, які в мікроелектроніці потребують значно більше часу. До того ж , вся АЕ будується на плівковій технології, тобто сумісна з мікроелектронікою.


27. Обґрунтуйте, чому тепловий баланс інтегральних мікросхем обмежує мінімальний розмір її окремих елементів. (Н-Ш 24)

Найбiльш важливими пpоцесами взаємодiї елементiв між собою слiд назвати такi:

       - їх pозiгpiв;

       - pозiгpiв мiжелементних з'єднань;

       - паpазитнi зв'язки.

Пpичиною pозiгpiву елементiв та з'єднань є енеpгiя, що видiляється пpи pоботi елементiв та пpоходження стpуму у з'єднаннях. Хоча пpи пеpемиканнi одного елемента видiляється мало енеpгiї, пpоте елементiв багато i сумаpна потужнiсть може бути значною. Уявимо собi, що окpемi елементи, piвномipно pозподілені в об'ємi. В цьому випадку енеpгiя, котpа видiляється в 1 см3  за 1с, може бути обpахована за формулою:                                          W = РN1                                        (1.25)

де Р - потужнiсть pозсiювання пpи пеpемиканнi одного елемента, - час пеpеми-

кання, - тактова частота, N1= -3 - кiлькiсть елементiв в 1 см3.Якщо скористатись наведеними в таблицi 1.2 даними для сучасних ІМС Р=10-5Вт, =10-9с; =107, N1=-3=(0.5.10-4)-3=8.1012, тодi за допомогою ф-ли (1.25) маємо                          W 10-5 .10-9 .107 .1012 .8 = 8.105 106Вт.см-3

Рис.1.7. Платівка товщиною 2h

В одиниці об'єму видiляється надзвичайно велика потужнiсть6 . Звичайно на пpактицi ще не виготовляються об’ємні IМС. Густина елементiв реальних ІМС менша за N1 і пpи їх pоботi видiляється менша потужнiсть. Проте вона достатня для того, щоб не можна було нехтувати впливом нагріву на роботу ІМС. Тому здебільшого потрібно вживати спецiальних заходiв до охолодження IМС.

Тепловий pозpахунок IМС досить складна задача. Ми обмежимося pозглядом найпpостiшого випадку теплового pозpахунку для того, щоб оцiнити, як залежить тепловий баланс вiд паpаметpiв схеми. Для цього розглянемо пластинку товщиною h, в якiй piвномipно pозподiленi елементи з густиною N1=-3. В одиницi об'єму цiєї пластинки згiдно (1.24) видiляється за одиницю часу енеpгiя W .

Рiвняння теплового балансу за pахунок теплопpовiдностi має такий вигляд

                                                                     (1.26)

де c - теплоємнiсть [Дж.г-1.град-1], - густина pечовини [г.см-3], - коефiцiєнт темпеpатуpопpовiдностi [Вт.см-1.град-1], Т - темпеpатуpа, t - час. Якщо ствоpити на гpаницях z=h/2 такi умови, що їх темпеpатуpа Т = Т0 =Const, то pозв'язуючи piвняння (1.26), отpимаємо в стацiонаpних умовах темпеpатуpу Тz=0 в центpi пластини пpи z = 0 iз співвідношення

                                                                        (1.27)

Пiдставимо в (1.27) виpаз для W iз фоpмули (1.25), тодi

                                                    (1.28)

Iз (1.28) можна записати виpаз для                         

                                                                                (1.29)

котpий дає можливiсть в цьому випадку оцiнити мінімальний розмір елемента .

Величина допустимого перегріву T=Тz=00 визначається матеpiалом платівки i явищами, що викоpистовуються в роботі ІМС, тобто Тz=0 визначається кpитичною темпеpатуpою, а Т0 - інтенсивністю охолодження поверхні. Величина Р вибирається значно більшою за Рmin. Hайчастiше для оцiнок коpистуються для Рmin величиною 10 кТ (Pmin=10 kT). Для pезистивних елементiв:

                                                                                  (1.30)

де R - опip елемента, а eVmin=10кТ.

                                                                              (1.31)

Комбінуючи(1.29), (1.30) та (1.31), одержимо таку формулу для оцінки мінімального розміру резистивного елемента

                                                              (1.32)

iз якого видно, що min залежить вiд допустимого пеpегpiву T=(Тz=00),  часу пеpемикання , тактової частоти , темпеpатуpопpовiдностi та питомого опоpу . Таким чином, min, котре визначається допустимим перегрівом елементу, зменшується при зростанні , як показано на рис.1.8. Звичайно, що в кожному конкретному випадку залежності більш складні, тому що вони сильно залежать від граничних умов і властивостей речовин і реальних умов задачі, котрі можуть суттєво відрізнятися від  умов розглянутої моделі.

Рис.1.8. Залежність мінімального розміру елемента ІМС від питомого опору матеріалу для трьох випадків: 1 - крайового розмиття, 2 - флуктуацій домішок, 3 - перегріву елемента.

Проте загальна  тенденція зменшення min при збільшенні питомого опору зберігається. На схематичному рис.1.8 зображені також залежності мінімальних розмірів елементів min, котрі визначаються краєвим розмиттям та флуктуаціями домішок. Всі вони по різному залежать від питомого опору матеріалу, з якого вони виготовлені. При малих < 1ом.см min обмежується, головним чином, тепловим ефектом (перегрівом елементів), при 1 Ом.см  - розмиттям краю елементів, а при >1 Ом.см - флуктуаціями домішок. Допустимі розміри елементів на рис.1.8 знаходяться над кривими 1, 2, 3 в заштрихованій області.

Безпеpечно, що зміна гpаничних умов дасть iншi залежностi. Пpоте розглянутий пpиклад показує, що тепловий pежим pоботи IМС суттєво впливає на мiнiмальний pозмip схеми. Наприклад, пpимусове охолодження збільшує можливий перегрів Т, що призводить до зменшення величини min.

Взаємодiя елементiв виникає через існування гальванiчних, ємнісних і iндуктивних зв'язків. Здебiльшого цi зв'язки зменшуються за допомогою iзоляцiї окpемих елементiв, вибором оптимальних відстаней між елементами а також шляхом введенням оптичного каналу зв'язку, котpий pозpиває гальванiчнi зв'язки і може також зменшити ємнісні та індуктивні звязки.


28 В процесі проведення виготовлення кремнієвих інтегральних схем передбачається прогрів при 750 0 С на      протязі 30 хвилин. До складу схеми входять плівки злота. Золото має при цих температурах такі коефіцієнти       дифузії по вузлам гратки  ~10-13 см2с-1 і по міжвузлях гратки  ~10-10 см2с-1. Оцінити мінімальний розмір елементів при умові, що крайове розмиття при виготовленні елементів має дисперсію  = 10-6 см і воно повинно      бути сумірним з дифузійним розмиттям.

(формула з книжки фіз. осн. мікроел. стор 24)

В процесі проведення виготовлення кремнієвих інтегральних схем передбачається прогрів при 750 0 С

на протязі 30 хвилин. До складу схеми входять плівки злота. Золото має при цих температурах такі

коефіцієнти дифузії по вузлам гратки ~10-13 см2с-1 і по міжвузлях гратки ~10-10 см2с-1. Оцінити

мінімальний розмір елементів при умові, що крайове розмиття при виготовленні елементів має

дисперсію σ = 10-6 см і воно повинно бути сумірним з дифузійним розмиттям.

Дифузійне розмиття: , для двох країв маємо, що  (коеф D=10^10) таким чином отримали, що розмиття за рахунок дифузії більше ніж дисперсія.


29. Проаналізуйте від чого залежить ефективність емітера, коефіцієнт переносу неосновних носіїв заряду, ефективність збору колектора в біполярному транзисторі, що використовується в інтегральних мікросхемах. (Н-Ш 375)

Ефективність емітера або коефіцієнт передачі інжекції визначається

                                                                  (9.15)

Коефіцієнт переносу струму крізь базу визначається

                                                                   (9.16)

Ефективність колектора або коефіцієнт множення струму колектора  * визначається

                                                                       (9.17)

В формулах (9.15 9.17) індексом n позначено електронний компонент струму у випадку n+-p-n транзистора. Для p-n-p транзистора індекс n потрібно замінити індексом р.

Оскільки |Ink|<|Ine| <|Ink+Inp|, завжди <1. Для типових транзисторів =0,9900,998.

Оцінимо, як залежать параметри транзистора від параметрів напівпровідників, котрі використовуються в транзисторах.

Коефіцієнт інжекції або ефективність емітера легко оцінити таким чином

                                                (9.18)

де індексами n і р позначають електронну та діркову складові

струму. Електронний струм в базі і дірковий в емітерній частині в дифузійному наближенні теорії транзистора мають такий вигляд

                                      (9.19)

                                               (9.20)

Підставимо (9.19) і (9.20) в (9.18), тоді

 (9.21)

В формулі (9.21)  використані такі позначення Se - площа емітерного переходу, Dn,p - коефіцієнти дифузії електронів і дірок, wВ - ширина бази, Lp - довжина дифузії дірок, n0, p0 - концентрації рівноважних носіїв струму, а також використано співвідношення  Ейнштейна

                              n,p/Dn,p = e/kT                                          (9.22)

Аналізуючи вираз (9.21) для коефіцієнта інжекції,  можна дійти до таких висновків:

для збільшення ефективності емітера (або коефіцієнта інжекції ) потрібно, щоб електропровідність емітерної частини n була більшою за електропровідність бази р (n>p), тому емітерна n+ частина транзистора значно сильніше легується ніж база і колектор; на практиці здебільшого використовують n+-p-n транзистор ще й тому, що донорна домішка фосфор значно краще розчиняється в кремнії і тому легше утворити n+ емітер;

для збільшення потрібно зменшувати ширину бази так, щоб w В/Lp<<1;

крім того час прольоту носіїв струму крізь базу залежить від рухливості носіїв струму тому базу бажано робити із кремнію р-типу, бо при цьому n > p і саме прольот інжектованих електронів в базі визначає інерційність  транзистора (tn=wВ/nE < tp=wВ/pE);

За цих обставин на практиці здебільшого при виготовленні транзисторів перевагу віддають n+-p-n транзисторам, у яких має значення близьке до одиниці.

Звернемося до аналізу коефіцієнту переносу носіїв струму крізь базу

                                               (9.23)

де Ine - струм інжектованих в базу неосновних носіїв  (електронів), Ir - струм, що спричиняється рекомбінацією інжектованих носіїв струму в базі. Ці струми можна знайти, якщо розв’язати задачу про перенесення нерівноважних носіїв струму в напівпровідниках (глава 4). Наближено їх можна записати таким чином

                                                       (9.24)

                                                         (9.25)

Підставимо (9.24) і (9.25) в формулу (9.23), тоді

                                                      (9.26)3  

Якщо врахувати ще й поверхневу рекомбінацію, то замість n в формулі (9.25) потрібно підставити ефективний час рекомбінації

                                           (9.27)

тоді L2n потрібно замінити на L2n ef

                                         (9.28)

Підставимо (9.28) в вираз для (9.26)

                                                 (9.29)

де s - швидкість поверхневої рекомбінації, а /Se - відношення площі, на якій відбувається поверхнева рекомбінація, до площі емітерного переходу. Аналізуючи вираз (9.29) для коефіцієнту переносу, можна дійти до таких висновків:

вигідно мати базу р - типу, бо n>p, тобто Dn>Dp, тобто Ln>Lp, а це призводить до того, що n<p;

зменшувати ширину бази так, щоб wB<Ln;

зменшувати швидкість поверхневої рекомбінації s, що збільшує .

     Ефективність колектора * іноді може бути більшою за одиницю за таких причин:

по-перше, електрони, котрі попадають в колекторну область збільшують потік дірок в базу і

                                   *1= 1 + ркp/nkn                     (9.30)

по-друге, електрони в електричному полі колектора можуть прискоритись так, що виникне ударна іонізація і розмноження носіїв струму

                                                  (9.31)

де Vпроб - пробивна колекторна напруга, при якій виникає лавинне розмноження носіїв струму прискорених електричним полем в колекторній частині транзистора, m <2. Тоді

                                   (9.32)

Рис.9.7. Залежність  від емітерного струму

 Повний коефіцієнт підсилення або коефіцієнт передачі згідно (9.15) рівний добутку ,  і *

                   = *

Він залежить від струму емітера, як це показано на рис. 9.7, і здебільшого в робочих режимах досягає значень 0,980,99.


30. Проаналізуйте, за яких умов вдається спостерігати квантовий розмірний ефект в шарах просторового заряду в напівпровідниках. Як експериментально показати його існування?
(Н-Ш 42+61)

Квантовий розмірний ефект виникає й може спостерігатисяя за таких умов:

по-перше, відстань між розмірними підзонами повинна бути більшою за тепловий розкид квазічастинок по енергіям

                                 E,+1 > kT                                          (2.29)       

Для напівпровідників при 300К ця умова виконується при товщинах d<10-5см.

По-друге, Е,+1 повинно бути більшим за ширину самої розмірної підзони

                                       E,+1 >                                           (2.30)    

За допомогою співвідношення невизначеностей можна оцінити . Ця оцінка дає  > h/, де - середній час життя на даному енергетичному рівні. Якщо допустити, що =m*/e, то

                                       E,+1 > h/ = he/m*                         (2.31)

Для напівпровідників з великими рухливостями носіїв струму, коли > 103см2В-1с-1, ця умова виконується при d < 5.10-6см.

По-третє, концентрація носіїв струму n повинна бути не дуже великою, тому що потрібно, щоб заповнювалась лише перша розмірна підзона, що має місце при умові

                                        n < 1= 3/2d3                                    (2.32)

де 1=3/2d3 - густина станів в першій розмірній підзоні.2 При товщинах d 10-5см ця умова виконується, коли концентрації вільних носіїв  в зразку n менша за 1016см-3 ( n < 1016см). Вона може бути виконана у невироджених напівпровідниках при низьких температурах і в напівметалах таких, як Ві.

По-четверте, тонкий зразок або плівка повинні бути однорідними. Розкид товщин в межах зразка повинен бути меншим ніж довжина хвилі де-Бройля.

При виконанні всіх цих необхідних умов квантовий розмірний ефект буде мати такі прояви:

зміну в енергетичному спектрі носіїв струму, що може спричинити появу напівпровідникових властивостей в деяких напівметалах, викликати зміну ефективної маси носіїв струму;

зміну густини електронних станів та її залежність від енергії; двовимірному випадку вона в перестає залежати від енергії носіїв і починає залежати від товщини зразка;

зміну концентрації носіїв струму n(d);

появу залежності часу релаксації носіїв струму від d.

Розглянемо ці особливості квантового розмірного ефекту більш детально на окремих прикладах.

Наведемо три приклади експериметального дослідження КРЕ, а саме:

періодичні зміни товщинної залежності питомого опору напівметалів,

особливості вольт-амперних характеристик тунельного струму сендвичів з дуже тонким одним із електродів,

особливості спектра вбирання інверсних каналів провідності в напівпровідниках.

Рис.2.11. Залежності (d) для двох температур: 1- 4К і 2 - 300К

По-перше, експериментально спостерігались періодичні зміни питомого опору тонких шарів напівметалів Sb та Bi в залежності від їх товщини, якщо забезпечити незмінність структири плівок при зміні товщин. Ця залежність схематично зображена на рис.2.11. Період  дав можливість оцінити досить вірогідні значення енергії Фермі (EF) для цих металів.

По-друге, спостерігаються особливості на вольт-амперних кривих тунельного струму для сендвича, котрий, наприклад, складається із тонкого окисленого шару Ві товщиною d, покритого плівкою Рb, як це показано на рис. 2.12. Товщина оксидної плівки була настільки малою, що крізь неї від-

Рис.2.12. Схема Bi-Pb сандвіча

Рис.2.13. Енергетичні діаграми сандвича для вимірювання тунельногоструму

бувалась тунельна емісія із Ві в Рb при помірних напругах на сандвічі. Товщина вісмутової плівки вибиралась меншою за довжину хвилі де-Бройля. Енергетичний  спектр носіїв струму в вісмутовій плівці розбивається на розмірні підзони, як це зображено на схематичному рис.2.13.

Тунельний струм в сандвічі прямо пропорціональний густині зайнятих станів в металевому електроді, з якого відбувається тунелювання, і густині не зайнятих станів в другому металевому електроді, в який іде тунельний струм. Напруга на електродах сандвіча V зсуває рівень Фермі в одному металі по відношенню до іншого, так що ЕFBi-EFPb=eV.

Рис.2.14. Схема вольт-амперної характеристики для тунельного струму сандвіча

Тому при деяких напругах густина зайнятих станів, наприклад, в першій розмірній підзоні вісмуту стане на одному рівні з рівнем незайнятих станів в свинцевому електроді, тобто перша розмірна підзона вісмуту стане вище, ніж рівень Фермі свинцю. За таких умов тунельний струм зростає і на вольт-амперній кривій з’явиться особливість. Такі самі особливості будуть виникати й тоді, коли виникнуть сприятливі умови для тунелювання з інших розмірних підзон. Характерні особливості вольт-амперних кривих тунельного струму в сандвічах з одним або обома дуже тонкими металевими електродами, в яких можуть мати місце квантові розмірні ефекти, дійсно спостерігаються експериментально.

Рис.2.15. Схема досліду по вбиранню світла в інверсному шарі SiO2-Si(р-типу): L - джерело світла, D - детектор

По-третє, поява розмірних підзон енергетичного спектру носіїв струму при виконанні умов, необхідних для існування КРЕ, експериментально спостерігається в спектрах вбирання світла в інверсних каналах провідності напівпровідників. Дослід виконувався таким чином. На поверхні кремнієвої пластинки р-типу утворювався тонкий шар SiO2, на який в свою чергу конденсацією із парів у вакуумі наносився шар алюмінію. Утворювався сандвіч схематично зображений на рис.2.15. Між його алюмінієвими електродами прикладалась напруга від     зовнішнього джерела так, щоб поле цієї напруги притягувало до електроду 1 електрони і відштовхувало дірки. Біля цього електроду утворювався шар просторового заряду, поле якого  вигинає зони ( dV/dx0). На рис.2.16 схематично зображено приповерхневий вигин зон в напівпровіднику р-типу.
Розглянемо такий великий вигин зон, коли рівень V=(x) перетинає рівень хімічного потенціалу . В цьому випадку утворюється інверсний приповерхневий шар просторового заряду, із якого електричне поле ЕS виводить дірки і накопичує електрони. Таким чином, в приповерхневому шарі товщиною    відбувається інверсія знаку носіїв струму. В цьому шарі носіями струму замість позитивно заряджених дірок стають електрони. Запишемо для цього випадку вираз, кот-

рий зв’язує густину поверхневого заряду NS з об’ємною концентрацією акцепторів Na-, котрі захопили електрони, та поверхневою концентрацією інверсних електронів Ninv

                                        eNS=e(N-a Lef + Ninv)                            (2.53)  

Рис.2.16. Енергетична діаграма вигину зон напівпровіднику n - типу

де Lef - лінійний розмір шару просторового заряду. Товщина інверсного шару менша за протяжність області просторового заряду Lef > і за порядком величини менша за 100А ( < 100A).

Нехай, наприклад, вигин зони провідності утворює в приповерхневій області потенціальний бар’єр, котрий має форму  трикутної потенціальної ями (рис.2.16). Вона наповнюється електронами. При великих ES=-VS, тобто малих в трикутній потенціальній ямі виникає розмірний квантовий ефект і енергетичний спектр носіїв струму розбивається на розмірні підзони, енергії яких починають залежати від квантового числа . Енергетичний спектр носіїв струму для трикутного барєру визначається формулою (2.28)             

                                     (2.28)

При низьких температурах заселеними будуть лише перша або перша і друга розмірні підзони. Якщо тепер пропускати світловий промінь вздовж поверхні в інверсному шарі, то його вбирання буде зростати тоді, коли світло матиме змогу збуджувати електрони, переводячи їх із однієї розмірної підзони в іншу розмірну підзону. Умовою зростання вбирання світла є достатність енергії кванта для цього збудження:                         

               (2.54)

Із формули (2.54) видно, що частота, при якій збільшується поглинання світла прямо пропорціональна   ЕS2/3. Відомо, що Lef(VS)1/2, тому   ЕS2/3  (VS/Lef)2/3 (VS)1/3 , що дійсно спостерігається експериментально.

Зміна провідності в приповерхневому шарі напівпровідника під дією  приповерхневого заряду eNS або зовнішнього електричного поля добре відоме явище. Воно називається ефектом поля і знайшло широке практичне застосування при створенні уніполярних польових транзисторів. В інверсійних каналах провідності таких транзисторів при великих полях ЕS виникає квантовий розмірний ефект. Він суттєво змінює умови роботи транзисторів і повинен враховуватись при конструюванні та експлуатації таких приладів.


31. Проаналізуйте, в яких випадках доцільно використовувати аналогову і в яких дискретну техніку обробки сигналів.

Відповідь на питання була озвучена Находкіним на консультації:

Дискретна:

- точніша (обрізка шумів)

- більше обчислювального часу

Аналогова:

- обробка в реальному часі (Фур’є перетворення з допомогою лінзи і транспаранту 10^(-10)c

- втрачається точність

- для більшої точності потрібна більша лінза

Доцільно також поєднувати.


32. Обґрунтуйте методи вимірювання ширини спектральних ліній у випадках однорідного та неоднорідного випромінювання лазера.

Однорідне уширення це коли ансамбль частинок що не взаємодіють між собою випромінюється на однаковій частоті. Неоднорідне уширення це коли кожна частинка однакова фізично, але ситуація для всіх різна в результаті загального випромінювання описується законом колективного випромінювання на своїй частоті кожної частинки.

Існують такі типові механізми що приводять до однорідного уширення а саме:

  •  гальмування у власному полі. Спрощена модель – гармонічний осцилятор;
  •  уширення внаслідок зіткнення (при зіткненні змінюються умови випромінювання) а саме змінюється фаза випромінювання і саме для цього можемо оцінити кількісну ширину, форму лінії, але для цього робимо припущення як часто відбувається зіткнення то для цього вважатимемо, що послідовні зіткнення підкорюються закону Пуассона.

Тепер перейдемо до математичної моделі – знайдемо розподіл інтервалів між двома зіткненнями

 – індекс потоку,  – густина розподілу,  – інтервал між двома зіткненнями

 

– це випадковий процес…

Якщо зіткнення не було то =0 якщо було то  =1. Імовірність що на проміжку т було 0 зіткнень Ф

Імовірність що на проміжку було 0 зіткнень:

Імовірність що були зіткнення:

Кореляційна функція:

Тепер визначаємо спектр для нашої функції

,

 - ефект уширення лінії, яка обернено пропорційна до послідовних зіткнень у газовому середовищі

 – середній інтервал між зіткненнями, М – маса молекули, р – тиск газового середовища, а^2 – ефективний переріз молекул

Наприклад Не-Ne лазер: Т=300К, р=0,1 мм рт ст,  c, Гц

Нестабільність

Неоднорідне уширення відбувається за рахунок ефекту Доплера. Припускаємо що центральна частота молекул, що випромінюють є  і в результаті деяких ефектів випромінення молекул може бути  зміщено відносно  і позначимо тоді  і припустимо, що молекула частоти Ф є однорідне уширення, форма одиниці уширення лінії така:

Тоді  тепер щоб отримати повну залежність від частоти (спектр випромінювання) треба проінтегрувати

– розподіл молекул по частотах і визначає неоднорідне уширення

– визначає однорідне уширення

Тепер, уже безпосередньо про ефект Доплера: молекула (що летить на нас має одну частоту, що від нас – іншу). Частота випромінювання що ми спостерігаємо

- число молекул

– ширина лінії для гелій-неонового лазера вона 2*109 Гц, тобто на три порядки вище в порівнянні з однорідним уширенням. Механізми неоднорідного уширення існують лише не в газовому середовищі а й у твердотільному лазері.


33 Проаналізуйте умови, що дозволяють збільшувати коефіцієнт підсилення    потужності і коефіцієнт підсилення струму в схемах з біполярним транзистором. Оцініть зміну граничної частоти транзистора, якщо заміенити кремній з рухливістю носіїв 50 см2В-1с-1 на кремній з рухливістю 500 см2В-1с-1 . 

(фіз. осн. мікроел. стор 370-378, там багацько всього, задача 12.12 на стор 410)

Параметри транзистора

Розглянемо тепер основні параметри біполярних транзисторів. Вони умовно розділяються на зовнішні, до яких відносяться коефіцієнт підсилення струму , і три внутрішніх, а саме: ефективність емітера , коефіцієнт переносу і ефективність колектора *.

                                                                (9.13)

За допомогою формули (9.7), можна показати, що в моделі Еберса-Мола коефіцієнт підсилення збігається з коефіцієнтом передачі струму із емітерного переходу в  колекторний в нормальному режимі роботи

                                    = N                                     (9.14)

Ефективність емітера або коефіцієнт передачі інжекції визначається

                                                                  (9.15)

Коефіцієнт переносу струму крізь базу  визначається

                                                                   (9.16)

Ефективність колектора або коефіцієнт множення струму колектора  * визначається

                                                                       (9.17)

В формулах (9.15 9.17) індексом n позначено електронний компонент струму у випадку n+-p-n транзистора. Для p-n-p транзистора індекс n потрібно замінити індексом р.

Оскільки |Ink|<|Ine| <|Ink+Inp|, завжди <1. Для типових транзисторів =0,9900,998.

Оцінимо, як залежать параметри транзистора від параметрів напівпровідників, котрі використовуються в транзисторах.

Коефіцієнт інжекції або ефективність емітера  легко оцінити таким чином

                                                (9.18)

де індексами n і р позначають електронну та діркову складові

струму. Електронний струм в базі і дірковий в емітерній частині в дифузійному наближенні теорії транзистора мають такий вигляд

                                      (9.19)

                                               (9.20)

Підставимо (9.19) і (9.20) в (9.18), тоді

 (9.21)

В формулі (9.21)  використані такі позначення Se - площа емітерного переходу, Dn,p - коефіцієнти дифузії електронів і дірок, wВ - ширина бази, Lp - довжина дифузії дірок, n0, p0 - концентрації рівноважних носіїв струму, а також використано співвідношення  Ейнштейна

                              n,p/Dn,p = e/kT                                          (9.22)

     Аналізуючи вираз (9.21) для коефіцієнта інжекції,  можна дійти до таких висновків:

для збільшення ефективності емітера (або коефіцієнта інжекції ) потрібно, щоб електропровідність емітерної частини n була більшою за електропровідність бази р (n>p), тому емітерна n+ частина транзистора значно сильніше легується ніж база і колектор; на практиці здебільшого використовують n+-p-n транзистор ще й тому, що донорна домішка фосфор значно краще розчиняється в кремнії і тому легше утворити n+ емітер;

для збільшення потрібно зменшувати ширину бази так, щоб w В/Lp<<1;

крім того час прольоту носіїв струму крізь базу залежить від рухливості носіїв струму тому базу бажано робити із кремнію р-типу, бо при цьому n > p і саме прольот інжектованих електронів в базі визначає інерційність  транзистора (tn=wВ/nE < tp=wВ/pE);

За цих обставин на практиці здебільшого при виготовленні транзисторів перевагу віддають n+-p-n транзисторам, у яких має значення близьке до одиниці.

Звернемося до аналізу коефіцієнту переносу носіїв струму крізь базу

                                               (9.23)

де Ine - струм інжектованих в базу неосновних носіїв  (електронів), Ir - струм, що спричиняється рекомбінацією інжектованих носіїв струму в базі. Ці струми можна знайти, якщо розв’язати задачу про перенесення нерівноважних носіїв струму в напівпровідниках (глава 4). Наближено їх можна записати таким чином

                                                       (9.24)

                                                         (9.25)

Підставимо (9.24) і (9.25) в формулу (9.23), тоді

                                                      (9.26)3  

Якщо врахувати ще й поверхневу рекомбінацію, то замість n в формулі (9.25) потрібно підставити ефективний час рекомбінації

                                           (9.27)

тоді L2n потрібно замінити на L2n ef

                                         (9.28)

Підставимо (9.28) в вираз для (9.26)

                                                 (9.29)

де s - швидкість поверхневої рекомбінації, а /Se - відношення площі, на якій відбувається поверхнева рекомбінація, до площі емітерного переходу. Аналізуючи вираз (9.29) для коефіцієнту переносу, можна дійти до таких висновків:

вигідно мати базу р - типу, бо n>p, тобто Dn>Dp, тобто Ln>Lp, а це призводить до того, що n<p;

зменшувати ширину бази так, щоб wB<Ln;

зменшувати швидкість поверхневої рекомбінації s, що збільшує .

     Ефективність колектора * іноді може бути більшою за одиницю за таких причин:

по-перше, електрони, котрі попадають в колекторну область збільшують потік дірок в базу і

                                   *1= 1 + ркp/nkn                     (9.30)

по-друге, електрони в електричному полі колектора можуть прискоритись так, що виникне ударна іонізація і розмноження носіїв струму

                                                  (9.31)

де Vпроб - пробивна колекторна напруга, при якій виникає лавинне розмноження носіїв струму прискорених електричним полем в колекторній частині транзистора, m <2. Тоді

                                   (9.32)

Рис.9.7. Залежність від емітерного струму

Повний коефіцієнт підсилення або коефіцієнт передачі згідно (9.15) рівний добутку , і *

                   = *

Він залежить від струму емітера, як це показано на рис. 9.7, і здебільшого в робочих режимах досягає значень 0,980,99.

Задача:Гранична частота роботи транзистора: , а отже


34. Проаналізуйте за яких умов, в каналах провідності спостерігається велика рухливість носіїв заряду.

Здавалося-б завдяки ефектам короткого та тонкого каналу повинна збільшуватись рухливість. Але ні. Там виникає розігрів електронів провідності, а розігрів зменшує рухливість (по якійсь-там формулі). Тому єдине що можна написати про велику рухливість – це НЕМТ транзистори, або транзистори на гетеропереходах

НЕМТ транзисторами називаються транзистори з великою рухливістю електронів (High Electron Mobility Transistor або скорочено НЕМТ). У них використовують канали провідності, що утворюються між напівпровідниками з різною зонною структурою (різною шириною забороненої зони). Такий контакт називається гетероконтактом на відміну від гомоконтакту, котрий утворюється між напівпровідниками з однаковою шириною забороненої зони.

Контактна різниця потенціалів на гетероконтакті між двома напівпровідниками створює контактне електричне поле, котре вигинає зони біля контакту.

Розглянемо приклад типового контакту (рис.3.28) широкозонного напівпровідника n+ AlxGa1-xAs (з шириною забороненої зони Еg1 = 1,8 еВ) та вузькозонного напівпровідника і - типу GaAs (із забороненою зоною Еg2 = 1,45 еВ). Зобразимо енерге-тичну схему такого гетеропереходу. В рівновазі хімічні потенціали системи знахо-

дяться на одному рівні (F1=F2). Робота виходу вузькозонного напівпровідника більша за роботу виходу широкозонного. Тому контактне електричне поле (йому відповідає потенціальна енергія E0) вигинає зони вузькозонного напівпровідника „униз”, а у широкозонному – „уверх”, як це видно на рис.3.28. На гетеропереході утворюється розрив зон і в зоні провідності утворюється стрибок потенціальної енергії. З одного боку від стрибка потенціалу на гетеропереході в широкозонному напівпровіднику утворюється потенціальний бар’єр, а в широкозонному - збіднений носіями шар. У потенціальній ямі власного вузькозонного напівпровідника можуть накопичуватися електрони, а у випадку, коли замість власного вузькозонного напівпровідника використовується вузькозонний напівпровідник р-типу, у його потенціальній ямі накопичуються носії з інверсним знаком заряду. Таким чином, на гетеропереході здійснюється просторове розділення зарядів іонізованих домішок (у даному випадку іонізованих донорів у широкозонному напівпровіднику) та 2D електронного газу в каналі провідності, локалізованому у вузькозонному напівпровіднику.

Таким чином 2D канал на гетеропереході дозволяє отримувати в ньому великі рухливості носіїв. Наприклад, у каналі між GaAs та Al0,3Ga0,7As при кімнатній температурі рухливість електронів дорівнює (300К) ~ 8000 см2/Вс, а при температурі рідкого азоту (78К) ~  см2/Вс, що суттєво покращує параметри МОН транзисторів. Такі транзистори називаються НЕМТ транзисторами (High Electron Mobility Transistor - транзистор із великою рухливістю електронів). Вони мають час перемикання при кімнатній температурі менше 56 нс, а при 78К – 17*10-12 сек. В перспективі це дозволяє створювати транзистори, котрі при температурах 78К працюють на частотах сумірних із частотами контактів Джозефсона, котрі працюють при температурах 4,2К.


35. Обґрунтуйте вплив на ступінь поверхневої іонізації залежності між роботою виходу і потенціалом іонізації атома на поверхні твердого тіла.

Іонізація – це перетворення електрично-нейтральних атомних частинок (атомів, молекул) в результаті видалення з них одного чи декількох електронів в додатні іони чи вільні електрони.

Поверхнева іонізація відбувається при взаємодії з поверхнею твердого тіла (коли на поверхню твердого тіла падає потік атомів).

,   - ступінь іонізації,  - загальна кількість іонів,  - загальна кіл-ть атомів.

може дорівнювати нулю, якщо жодна частинка не іонізована, і  може дорівнювати  , якщо всі вилітаючи частинки іонізовані.

Розглянемо вплив на ступінь поверхневої іонізації залежності між роботою виходу і потенціалом іонізації атома на поверхні твердого тіла. Розглянемо чотири випадки:

1)  ( - температура),  ( - потенціал іонізації атома,  - робота виходу). Поверхневої іонізації немає в цьому випадку.

2) , , , буде іонізація

3) , зростає кількість вільних станів, і зростає ступінь іонізації.

4) , не можуть тунелювати електрони, і неможлива поверхнева іонізація.

,  - коефіцієнт,  - прозорість бар’єру,   - величина, яка описує імовірність того, що рівень вільний;  - описує імовірність того, що рівень зайнятий.

Чим більше , тим більше .

,

,

     , це є рівняння Саха-Ленгмюра, яке описує процес поверхневої  

іонізації.


36. Наведіть приклад використання квадратичного детектора. Охарактеризуйте форму спектру на виході такого детектора.

Прикладом використання квадратичного детектора може служити детектор НВЧ на основі ДК. Тут використовується ефект зменшення нульової сходинки ВАХ контакту під дією

електромагнітного сигналу. Величина сходинки

де   та  - амплітуда та частота сигналу, P~ - його потужність.

Рис. 1 ВАХ ДК з генератором струму Iг  під дією потужності НВЧ Р.

З рис. 1 видно, що ВАХ ДК під дією потужності НВЧ Р знижується, внаслідок чого падіння напруги на детекторі збільшується на  ΔV=Voc-V0.

ΔV пропорційне диференційному опору

ДК dV/dI і квадрату напруги або ж потужності Р. У зв’язку з цим, даний детектор є квадратичним детектором чи

детектором потужності. Апроксимуючи ВАХ на рис. 1 прямим лініями, та вважаючи,

відповідно  , отримаємо

де  - вольт-ватна чутливість квадратичного детектора. Залежність  від частоти визначається формулою (1), згідно з якою  , зв’язком з лінією передачі, резонансними властивостями як об’єму, в якому міститься ДК, так і самого контакту, величиною щілини надпровідника Δ. Чутливість детектора сильно знижується при , однак залишається помітною величиною до   10Δ. Похідна dV/dI також залежить від частоти, вона максимальна поблизу частот, що відповідають сходинкам напруги на ВАХ ДК. При роботі детектора поблизу сходинок (селективний режим) чутливість детектора збільшується, однак він стає вузькосмуговим. Шуми детектора, як і у випадку СКВІДу , залежать переважно від активного опору.

Нині отримано такі характеристики квадратичних детекторів на ДК: робочі частоти – до

1000 ГГц (λ=0,3 мм), чутливість порядку 100 кВ/Вт (λ=3 мм), інерційність - с.

Практично схема детектора складається з модуляторів падаючого випромінювання або робочого струму контакту, що працюють разом із синхронними детекторами, налаштованими на частоту модуляції.

Рис. 2. Подаємов хідний сигнал – синусоїду. Отримаємо на виході сигнал промодульований.


№ 37
(осн. фіз. мікроел. стор 391-392, 401-404, 410)

Проаналізуйте шляхи зменшення впливу паразитних параметрів інтегральних мікросхем на біполярних

транзисторах. Перевірте, чи буде обмежувати граничну частоту перехідні характеристики транзистора при використанні кремнію з рухливістю носіїв 500 см2В-1с-1.

Задача


38
Проаналізуйте причини, що обмежують мінімальний розмір елемента інтегральних мікросхем

(фіз. осн. мікроел. стор 18-27)

Проаналізуйте причини, що обмежують мінімальний розмір елемента інтегральних мікросхем.

. 39 Обгрунтуйте підходи до вибору матеріалів, що застосовуються для детектування квантів електромагнітної радіації різної енергії.

(стор 196 і далі книжки елементи функціональної електроніки)

Обгрунтуйте підходи до вибору матеріалів, що застосовуються для детектування квантів

електромагнітної радіації різної енергії.

В детекторах оптичного випромінювання використовують різні явища:

зовнішній фотоефект,

внутрішній фотоефект,

фотомагнітний ефект,

залежність електроопору, надпровідності від температури нагрівання речовини світлом, що поглинається,

термоелектрорушійну силу (ЕРС),

деформації та розширення тіл при нагрівання світло, тощо.

    Фотодетектори повинні мати узгоджені з генераторами світла характеристики:

спектральний інтервал роботи,

інерційність,

значну квантову ефективність,

значну інтегральну чутливість,

значне відношення сигнал/шум або здатність виявлення (D*),

мініатюрність

технологічність і малий розкид параметрів, сумісність з фотогенераторами, лініями оптичного каналу зв’язку, пристроями для управління світловими променями та іншими елементами мікроелектроніки, як в процесі їх виготовлення, так і процесі сумісної роботи.

Тому найбільш широке застосування в оптоелектроніці знайшли фоторезистори, фотодіоди і ПЗЗ структури.

Роботу фотодетекторів прийнято характеризувати такими параметрами:

внутрішньою квантовою ефективністю і,

квантовою ефективністю,

часом відгуку,

чутливістю (спектральною і інтегральною).

Внутрішня квантова ефективність і або квантовий вихід характеризує ймовірність утворення носіїв заряду при поглинанні одного фотона. Вона визначається відношенням кількості збуджених носіїв (Iph0/e) до кількості поглинутих фотонів (Lph/h)

                                                        (10.94)

і залежить від природи речовини. Здебільшого вона близька до одиниці.

 Квантова ефективність визначає кількість фотозбуджених носіїв струму одним фотоном, що падає. Вона залежить від внутрішньої квантової ефективності і, коефіцієнтів поглинання  і відбиття R речовини, на яку падають фотони

                       =і0      (10.95)

де La - ширина області поглинання фотонів, а 0 - оптична ефективнність19. В залежності від оптичних сталих речовини, що поглинає фотони, може змінюватись в межах  0<<1. Тому при конструюванні фотодетекторів потрібно приділяти увагу до вибору таких оптичних властивостей, щоб збільшувати квантову ефективність 20 

Час відгуку характеризує інерційність фотодетектора і залежить від конструкції приладу і часу життя носіїв струму, котрий від концентрації nпасток. В нульовому наближенні у випадку, коли в фотопровідності беруть участь в основному електрони

                            n(1+nпасток/n)                      (10.96)

Чутливість визначається відношенням фотостуму детектора Iph0   до потужності світлового потоку Lph0 , що падає

                                 R= Iph0/ Lph0                     (10.97)

Позначимо через G коефіцієнт підсилення, який досить часто використовується на практиці. Він визначається відношенням повного фотоструму Iph до початкового фотоструму Iph0 

                                   G= Iph/Iph0                       (10.98)

і характеризується швидкістю генерації носіїв при поглинанні світла. Знайдемо тепер G, Для цього запишемо струм між контактами фотодетектора, що збуджується фотонами

                                   Iph=Senn,pE                      (10.99)

де E - напруженість електричного поля, n,p - рухливість носіїв, S - площа, крізь яку протікає струм в фотодетекторі. Концентрація носіїв n визначається фотогенерацією

                                                      (10.100)

де SL=V - обєм, в якому утворюються носії. Підстановкою концентрації із (10.100) в формулу (10.99) з урахуванням визначення (10.94), знайдемо коефіцієнт підсилення

                                                       (10.101)

Він залежить від відношення часу життя носіїв до часу їх дрейфу і може бути більшим за одиницю. Наприклад, для CdS і CdSe коефіцієнт підсилення значний G 103104. Це означає, що і чутливість побудованого з цих речовин фотодетектора, буде також значною, бо підстановка (10.101) в (10.97) дає такий вираз для чутливості

                                          (10.102)

Чутливість є розмірною величиною і в літературі вона наводиться в одиницях А.Вт-1.

Отже ми бачимо з (10.102), що чутливість детектора при сталій квантовій ефективності спадає зі збільшенням енергії кванта. Це і призводить до того, що необхідно використовувати матеріали з високою квантовою ефективністю в необхідному діапазоні енергій квантів. Також треба відзначити, що в речовинах, котрі використовуються в фотодетекторах, існують вікна прозорості. Це означає, що для деяких довжин хвиль дані матеріали є оптично прозорими, а отже ефективність буде вкрай низькою.


40. Проаналізуйте спектральну густину теплового гаусівського шуму на виході ідеального обмежувача (компаратора).

Спектральна густина

Де  , звідки


41. Обгрунтуйте корисність та окресліть області застосування еквівалентних схем біполярних транзисторів.

Аналіз роботи транзисторів зручно здійснювати за допомогою еквівалентних схем. Вони складаються з лінійних елементів схем R,C та Lй повинні вірно відображати похідні від залежностей I(V), котрі зв’язують між собою малі зміни струмів і напруг. Таким чином, еквівалентна схема є моделлю схеми, яка за своїми властивостями передачі змінного сигналу повинна не відрізнятися від реального транзистора. В залежності від величини та частотного діапазону сигналу та схеми включення транзистора розрізняють декілька еквівалентних схем. Наведемо два приклади низькочастотних малосигнальних еквівалентних схем транзистора при включенні його зі спільною базою (ССБ) (рис.12.9) та спільним емітером (ССЕ) (рис.12.10).

Еквівалентну схему транзистора зі спільною базою (ССБ) (рис.12.9) легко отримати з моделі Еберса-Молла, зображеної на рис.12.2, заміною емітерного і колекторного переходів їх диференціальними опорами та знехтувавши джерелом  I , тому що у нормально-

му робочому режимі можна знехтувати струмом носіїв I2  , що інжектують із колектора

в базу. При малих частотах, коли    диференціальні опори ze та zc можна роз-

глядати як активні опори. В цій схемі задається струм емітера Ie і обраховуються або

вимірюються всі останні її параметри. Коефіцієнт підсилення струму в схемі ССБ ви-

значається прямим коефіцієнтом передачі

а його вхіднийта вихідний опори рівні

опір навантаження колектора. При визначенні вихідного опору ми знехтували впливом на нього опору rb, котрий менший за (rb< rс).

Еквівалентна малосигнальна схема транзистора в схемі зі спільним емітером зображена на рис. 12.10. В цій схемі задається струм бази Ib та нехтується, як і в попередній схемі ССЕ, впливом колекторного переходу на емітерний перехід, тобто нехтуємо членом  моделі Еберса-Молла. Коефіцієнт передачі струму В бази згідно (12.8а) залежить від . Опір колекторного переходу c r∗цієї схеми відрізняється від опору e r схеми ССЕ , тому що ці еквівалентні


42. (Находкін стр.15-16)  Доведіть необхідність мікромініатюризації електронних схем.

Розвиток сучасної радiоелектронiки та електронної технiки характеризується ускладненням вимог i задач, котрi повиннi розв'язуватись за допомогою радiоапаратури. Це призводить до суттєвого збiльшення кількості елементiв апаратури. Сучасна апаратура складається з десятків мiльйонiв елементiв. При цьому потрiбно збiльшувати її функцiональні можливості, зберiгати її надiйнiсть, зменшувати енерговикористання, собiвартість, габарити та вагу. Усi цi проблеми розв'язує мiкроелектронiка (МЕ) - новий науково-технiчний напрямок, в якому використовуються новi принципи iнтеграцiї. Вона забезпечує реалiзацiю електронних систем iз мiкромiнiатюрних радiодеталей та вузлiв i охоплює проблеми дослiдження, конструювання, виготовлення та застосування мiкроелектронних виробiв із високим ступенем iнтеграцiї.

Iдея зменшення об'єму та ваги радiоелектронної апаратури при збереженнi її надiйностi, пiдвищеннi функцiональних можливостей та зменшеннi собiвартостi виникла одночасно з появою радiоелектронiки. Проте принципове значення вона набула лише в 60-х роках ХХ сторiччя за таких причин:

по-перше, пiдвищення надiйностi та ускладнення функцiональних особливостей потребує збiльшення кiлькостi елементiв шляхом дублювання або ще бiльшим ускладненням апаратури;

по-друге, велику кiлькiсть елементiв потрiбно розмістити в малому об'ємi для того, щоб зменшити затримку сигналу, бо час затримки   визначається лiнiйним розмiром апаратури L i швидкiстю свiтла c

                                           L/c                                          (1.1)

Це спiввiдношення дозволяють оцiнити мінімальний розмiр елемента m.    

Позначимо кількість елементiв розмiром m, через N, тодi

                                          N = L3/m3                                            (1.2)

    Комбінуючи (1.1) i (1.2), можна отримати m

                                         m   c/N1/3                                         (1.3)

   Якщо 10-11с, N=1010, то m 1,410-4см = 1,4 мкм. Частина об’єму повинна додатково використовуватись на міжз’єднання. Таким чином, окремi елементи повиннi мати ще менші розмiри.

по-третє, велика кiлькiсть елементiв потребує створення нової групової технології виготовлення, ефективного вiдводу тепла, економiї матерiалiв, енергоресурсiв та коштів.

В 60-х роках з'ясувалося, що системи з бiльш, нiж 105 окремими дискретними елементами не працюють, а з меншою кількістю елементів потребують значної витрати матерiалiв, енергії i коштiв на їх виготовлення та експлуатацiю. В 60-х роках Дж.Кілби i Р.Нойс отримали патенти на груповий метод виготовлення напiвпровiдникових дiодiв i трiодiв на однiй пластинi кремнію. Вони запропонували здiйснити металiзацiю на кремнієвій матриці транзисторів для приєднання до них пасивних елементів таким чином, щоб утворити iнтегральну мікросхему (IМС). Це i був початок розвитку мiкромiнiатюризацiї i мiкроелектронiки. Зараз у свiтi випускається бiльш, нiж 12 млрд IМС, а їх складнiсть, наприклад, мiкропроцесора 486-ї моделi фiрми "Інтел" характеризується наявністю на одному чiпi 1,2 млн транзисторів. Групова технологія виготовлення ІМС завоювала світ, про що свідчить великий обсяг торгівлі ІМС. В 1990 роцi він становим більш ніж 200 млрд доларiв і продовжує зростати.


43. Обґрунтуйте  можливість використання вторинної електронної емісії для діагностики поверхні твердого тіла.

Вторинно-електронна емісія (ВЕЕ) - це випускання електронів тілом при його бомбардуванні потоком первинних електронів.

Процес вторинної емісії дещо нагадує процес фотоелектронної емісії. Первинні електрони потрапляючи у речовину збуджують там електрони і передають їм частину своєї енергії. Набувши енергію збуджені електрони дифундують до поверхні, частково розтрачуючи на цьому шляху свою енергію. Якщо дійшовши до поверхні вони зберігають енергію достатню для подолання роботи виходу, вони зможуть вийти назовні і стати таким чином вторинно-емітованими електронами.

Енергетичний спектр вторинних електронів дозволяє розділити їх за природою на три групи (рис.1):

  1.  Пружно відбиті електрони, які мають ту ж енергію , як і первинні;
  2.  Не пружно відбиті електрони, які втратили частину своєї енергії на збудження електронних станів атомів речовини;
  3.  Справжні вторинні електрони.

У відповідності до цього коефіцієнт вторинної електронної емісії можна розділити на три компоненти:

 

де  та  - струми первинних та вторинних електронів;  - коефіцієнти для пружно,  не пружно відбитих електронів та справжніх вторинних електронів.

Енергетичний спектр непружно відбитих електронів (область 2 на рис.1) являє собою складну немонотонну залежність. Цей спектр несе на собі “відбиток” структури електронних енергетичних рівнів атомів речовини, що складають її поверхню. По ньому можна судити про природу емітуючого тіла і електронні стани атомів поблизу його поверхні.


44 Оцінити радіус металевих острівців сферичної форми на підкладинці, енергетичний електронний спектр у яких при кімнатній температурі буде дискретним. Стала Больцмана K=1.38х10-16ерг.град-1, стала Планка h=6.53.10-27ерг.с-1.


45. (Находкін стр. 389-391) Запропонуйте схему технології виготовлення інтегральних мікросхем з біполярними транзисторами.

Виготовлення ІМС з біполярними транзисторами найбільш часто здійснюють за допомогою планарно-дифузійної і планарно-епітаксіальної технологій. Вони відрізняються тим, що в першому випадку в приповерхневому шарі напівпровідникової підкладинки області n- і р- типів створюються за допомогою методу локальної термодифузії, а в другому випадку - за допомогою епітаксіального нарощування кремнієвих шарів n- і р-типів.

    Розглянемо спочатку планарно-дифузійну технологію. Вона складається із шости етапів.

Рис.9.10. Схема етапів планарно-дифузійної технології виготовлення

n+-p-n транзисторів.

На першому її етапі ретельно очищену кремнієву підкладинку рівномірно окислюють в сухому кисні (рис.9.10.1).

На другому етапі за допомогою незмінної (руйнівної) маски методом фотолітографії створюються в оксиді кремнію вікна, крізь які відкривається вільний доступ до неокисленої поверхні підкладинки. Розмір і форма вікон визначається топологією ІМС.

Рис.9.11. Розподіл концентрації домішок в транзисторі.

     На третьому етапі крізь вікна здійснюється термодифузія донорних домішок фосфору на глибину <dP>DPt, де DP - коефіцієнт дифузії фосфору, t - час проведення процесу дифузії. Після закінчення цієї операції в об’ємі підкладинки утворюється область з поперечними розмірами вікна в шарі SiO2 глибиною <dP1>, в якій переважають донорні домішки, тобто створюється область n-типу (рис.9.10.2). Розподіл концентрації домішок фосфору зображений на рис.9.11 (крива 1). Ця область n-типу може стати основою колекторної частини n-р-n транзистора.

 На четвертому етапі підкладинку знову окислюють і в оксиді за допомогою фотолітографії і травлення створюють нові вікна меншого розміру. Крізь ці вікна здійснюється дифузія акцепторних домішок бора на глибину <dB>=DBt меншу від глибини попередньо проведеної дифузії бору (dP1 < dB). Бор компенсує донорні домішки фосфору і при NB > Np і утворюється р-область, котра може виконувати функції бази транзистора (рис.9.10.3).

На п’ятому етапі знову ще  раз окислюють підкладинку, створюють вікна ще меншого розміру і крізь ці нові вікна здійснюють термодифузію фосфору на меншу глибину <dP2>, ніж глибина дифузії бору на попередньому етапі технології (<dB> > <dP2>). Ця операція дозволяє створити емітерну части n+-типу. В емітерній частині створюється найбільша концентрація донорних домішок фосфору, котрі компесують існуючі акцепторні рівні а при достатніх концентраціях NP2>> NB  відбувається перекомпенсація домішок і створюється область n+-типу. 

На шостому етапі крізь ще раз утворені вікна в оксидному шарі наносять металеві шари, котрі служать контактатми до транзистора, як це показано на рис.9.12.

Іноді під колекторним шаром додатково виготовляють скритий шар n+- типу. Цей скритий шар n+-типу виконує такі функції:

сповільнює рух неосновних носіїв струму (в даному випадку дірок), котрі інжектуються із бази в колектор, тому що наявність сильно легованого шару

               

Рис.9.12. Поперечний переріз і план транзистора.

призводить до появи внутрішнього електричного поля, направленого в напрямку від скритого шару до бази,

вирівнюють потенціал колекторної частини транзистора, тому що сильно легований скритий шар зменшує електричний опір колекторної частини від декількох кілоомів до сотень омів,

збільшують коефіцієнт предачі  і, тому що, коли колектор зміщений в прямому напрямку, то скритий шар n+-типу сприяє рекомбінації інжектованих із бази дірок і тим самим зменшує шкідливу складову струм колектора при інверсному включенні.

В другому випадку, коли використовується епітаксіальне нарощування шарів n-  та p- типів, на кремнієвій підкладинці методом фотолітографії створюються відповідної форми вікна в оксидному шарі. Крізь ці вікна в кремнієвій підкладинці витравлюються заглибини, які заповнюються методом епітаксіального нарощування шарами n- чи р - типів відповідно.


46. Проаналізуйте особливості тонких феромагнітних плівок,що використовують для запису та обробки сигналів

Магнітна сприйнятливість характеризує здатність речовини намагнічуватись під дією зовнішнього магнітного поля:

При  — речовина є феромагнетиком.

Доменна структура

При температурі, нижчій за температуру Кюрі, магнітні моменти електронів сусідніх атомів у феромагнетику орієнтовані паралельно, проте зазвичай ця орієнтація не поширюється на все тіло. Слабка магнітна взаємодія між окремими сумарними моментами значних областей стає на заваді їхньому зростанню. Тому феромагнетик розбивається на окремі області повної намагніченості, так звані магнітні домени. Магнітні домени можуть орієнтуватися довільним чином, тому для феромагнетика існує розмагнічений стан. У цьому стані, незважаючи на локальне намагнічення, тіло з феромагнітної речовини не є магнітом. Окрім розмагніченого стану, феромагнітне тіло може перебувати в намагніченому стані, коли переважна кількість доменів має однакову орієнтацію магнітних моментів. Намагнічений стан може зберігатися, коли зовнішнє магнітне поле відсутнє.

Через те,що існує два стани феромагнітні плівки можна використовувати як звичайну логіку або як пам’ять. У тонких плівок перевага,що не має шумів (див. рис 1)

Рис.1 для тонкої плівки

Досить поширеним є поділ оптоелектроніки за характеристиками випромінювання, що використовується. За цим принципом оптоелектроніка поділяється на когерентну і некогерентну. Цей поділ ілюструється на рис.10.37.

Рис.10.37.

Для реалізації оптоелектронних систем необхідно мати такі елементи: джерела світла (когерентного і некогерентного), приймачі світлової енергії, світловоди та елементи узгодження, системи управління світловими променями (мультиплексори і демультиплексори, модулятори, дефлектори, просторово-часові модулятори, керовані транспаранти) та оптично активні середовища. Вони повинні мати відповідні функціональні характеристики і бути здатними до створення на їх основі гібридних і монолітних оптичних і електронооптичних інтегральних схем методами групової технології виготовлення.


47.  Особливості та застосування термоелектронної емісії. Чи має вона загальні  риси з надбар’єрною емісією в напівпровідникових структурах?

Фізична мікроелектроніка Находкін ст117

Якщо джерелом енергії для подолання бар’єра на гетеропереході є енергія теплового руху, то це явище називається надбар’єрною або термоелектронною емісією. Носії струму, котрі за рахунок теплової енергії піднімаються на енергетичні рівні, енергія яких більша за висоту потенціального бар’єру на гетеропереході, можуть подолати цей бар’єр і перейти із одного електрода  в інший або із метала в напівпровідник  (діелектрик).

 Спочатку розглянемо приклад МДМ сандвича з товщиною діелектрика  L меншою за довжину вільного пробігу носіїв струму в діелектрику . Позначимо роботи виходу металів М1 і М2 через е1 і е2, а їх рівні Фермі через F1 і F2. Нехай в діелектрику відсутні пастки і його можна наближено вважати ідеальним. Найкращою моделлю ідеального діелектрика є вакуумний проміжок. На рис.5.2.а і б. зображені енергетичні схеми такого

Рис.5.1. Енергетична схема сандвича, створеного за допомогою двох різних металів М1 і М2 , розділених вакуумним проміжком: а) - з нульовою напругою V12=0; б) - з скінченою напругою V12>0.

сандвича для двох випадків нульової напруги між електродами V12=0 і скінченої напруги V120. Крізь такий сандвич буде йти струм i=i1-i2, де кожний із  струмів і1,2 визначається термоелектронною емісією носіїв струму із металу в діелектрик. Ці струми визначаються за допомогою формул Річардсона-Дешмана для термоелектронної емісії

                                                               (5.1)

де S-площа гетеропереходу, А1,2-константи Річардсона, D - середній коефіцієнт прозорості потенціального бар’єра, е1,2 - роботи виходу, Т - температура, k-стала Больцмана. Після підстановки (5.1) у вираз для струму крізь перехід отримаємо

                       (5.2)

Величина висоти барєра * показана на рис.5.2З. Висота бар’єра е** залежить від напруженості електричного поля Е між електродами М1 та М2

                                                (5.3)

де L-товщина діелектрика, -діелектрична стала. Цей вираз отриманий для параболічного бар’єра. Для великих полів, коли е3Е/>(e2lg2/L),

                                                                (5.4)

висота потенціального бар’єру має такий самий вигляд, як і для поверхні металу в електричному полі (ефект Шотткі). При дуже малих значеннях L висота потенціального бар’єра згідно формули (5.3) залежить від L.

     Таким чином, основною рисою надбар’єрної емісії є експоненційна залежність надбар’єрного струму від температури. Проте слід зауважити, що формула (5.2)  повинна бути уточнена шляхом  врахування таких особливостей:

по-перше, залежності сталої Річардсона А від структури зон, котра частково може бути врахована за допомогою ефективної маси m*, тому що ;

по-друге, залежності середньої прозорості потенціального бар’єра  від його форми;

по-трете, проникнення електричного поля в напівпровідник. Врахування проникнення електричного поля в напівпровідник  призводить до того, що в формулі (5.3) для висоти бар’єра замість  товщини діелектрика треба використовувати довжину, котра характеризує єкрануввання просторового заряду. Тому, коли глибина екранування Lе менша за відстань між електродами L (Lе<L), в формулі (5.3) доцільно замість L використовувати саме Le

                                                          (5.5)

тобто замінити величиною, котра залежить від кореня квадратного від різниці потенціалів V1,2. Таким чином, напруженість електричного поля в напівпровіднику по іншому, ніж у вакуумі, залежить від різниці потенціалів:

                                                         (5.6)

Якщо тепер вираз (5.6) для напруженості електричного поля підставити в формулу (5.2) для струму крізь сандвич, то

      (5.7)

де

                                                   (5.8)

При збільшенні електричного поля, коли е3Е/>(e2lg2/L)2 тобто при умові, що V12>(lg2)e/L

                                  (5.9)1 

Із формули (5.9) видно, що логарифм надбар’єрного струму у випадку напівпровідників повинен бути прямо пропорційним кореню четвертого ступеня від напруги.

По-четверте, в реальних зразках майже завжди існують рівні прилипання, котрі можуть захоплювати інжектовані носії струму і змінювати величини струмів інжектованих носіїв.

По-п’яте, при великих рівнях інжекції струм обмежується просторовим зарядом.


48.  Обґрунтуйте вибір типу  резонатора, що використовується в інжекційних  квантових генераторах (лазерах)оптичного діапазону довжин хвиль. Як зв’язані геометричні параметри резонатора з резонансною частотою?

 Білет 12 питання №4

Система накачки

Система накачки напівпровідникових лазерів створює інверсію населеності активного середовища за допомогою таких механізмів збудження:

  •  електричного пробою в сильному полі,
  •  оптичного збудження,
  •  інжекції нерівноважних носіїв заряду тощо.

        

Рис.7.4. Лазери з поперечною (а) та поздовжньою накачкою.

Здебільшого в напівпровідникових лазерах використовують інжекцію нерівноважних носіїв заряду в прямо зміщених р-n переходах, коли крізь них перпендикулярно до площини р-n переходу протікає струм. В залежності від напрямку струму накачки по відношенню до напрямку розповсюджуванні електромагнітної хвилі розрізняють два випадки інжекційних лазерів: з поперечною (рис.7.4.а) та поздовжньою (рис.7.4.б) накачкою. Такі лазери називаються  інжекційними лазерами з поперечною або поздовжньою накачкою .Чим більший струм накачки I, тим більший рівень інжекції і більша ступінь інверсії. Тому в таких лазерах за допомогою модуляції струму накачки досить просто здійснюється модуляція рівня інжекції, від якої залежить потужність випромінювання лазера.

Оптичний резонатор

Оптичний резонатор є системою, що має дискретний набір власних хвильових мод з певними хвильовими векторами Кі = 2/і (певними довжинами хвиль і), амплітуди коливання яких залежать від його параметрів - його добротності. Розрізняють оптичні резонатори з розподіленими і зосередженими оптичними параметрами. Вони використовуються для утворення позитивного зворотного зв’язку в напівпровідникових лазерів.

Типовим прикладом оптичного резонатора з зосередженими параметрами є резонатор Фабри-Перо. Він складається із двох паралельних дзеркал. Інтерференція багаторазового відбивання світлового променя від дзеркал перерозподіляє інтенсивність електромагнітної хвилі і створює когерентні промені з сталою різницею ходу = 2naLcos, де na - показник заломлення речовини, що знаходиться між дзеркалами, L - відстань між ними, - кут падіння світла на поверхню дзеркал. Оптичний резонатор можна розглядати, як резервуар дискретних власних мод стоячих світлових хвиль з хвильовими векторами, нормальними до поверхні дзеркал. Частотні інтервали між модами залежать від відстані між дзеркалами і фазової швидкості світла =с/(na2D) (або =2D).

В напівпровідникових лазерах дзеркалами його резонатора служать бокові спеціально відполіровані або сколоті поверхні напівпровідникового кристалу, перпендикулярні до площині р-n переходу лазера (див. рис.7.1). Резонатор Фабрі-Перо не завжди використовується в лазерах, котрі входять до складу інтегральних оптичних схем, тому що їх дзеркала не вдається виготовляти за технологією виготовлення ІМС. В лазерах, що входять до складу інтегральних оптичних схем, використовуються резонаторами з розподіленими оптичними параметрами. В цих резонаторах використовується брегівська дифракція світла на дифракційних гратках з періодом , кратним цілому числу напівхвиль в активному середовищі з показником заломлення na;   0na, де 0 - довжина хвилі лазерного випромінювання у вакуумі.

Рис. 7.5. Схема бреггівських резонаторів напівпровідникових лазерів розділених (1,2) і суміщених (3,4) з активним середовищем.

На рис. 7.5 зображені схеми двох різновидів дифракційних бреггівських резонаторів розділених і суміщених з активним середовищем лазера. В розділених бреггівських резонаторах бреггівське відбиття відбувається поза межами активного середовища, тоді як в суміщених резонаторах воно відбувається одночасно з підсиленням світла. Резонатори з розподіленим зворотним зв’язком мають високу спектральну селективність і стійкість одномодового режиму генерації до змін температури. Дифракція світла використовується також для виводу світла із лазера, що збільшує його потужність і направленість. Смужки такого середовища є діелектричним  світловодом, котрий може зєднуватись з іншими елементами інтегральних схем.

Дифракційні гратки бреггівських резонаторів виготовляються  методом періодичної просторової модуляції домішкового складу, тобто показника заломлення n(r) = n0 + nsin(2/r) або рельєфу поверхні за допомогою технологій, що використовуються при виготовленні ІМС. Саме це визначає широке практичне використання напівпровідникових лазерів з бреггівськими резонаторами, що входять до складу ІМС.


49. фізичні основи роботи польових транзисторів з ізольованим затвором

Находкін ст38

Рис.2.17. Схема будови МОН - транзистора і утворення довгого інверсного каналу провідності в ньому при різних умовах: а) VS=VB=0; VD0; VG0; б) VS=VB=0; VD0; VD<VG-VT; в) VS=VB=0; VD>VT; VG0.

Польовий МОН-тразистор5 є напівпровідниковим чотирьохполюсни-ком, в якому використовується рух рівноважних носіїв струму. Він знайшов широке застосування в сучасній мікроелектроніці, як базовий елемент ІМС. Напруга на одному з його електродів VG загаті (затворі) створює в напівпровіднику управляюче електричне поле. Це електричне поле змінює концентрацію носіїв струму в тонкому шарі просторового заряду, локалізованого біля загати, що призводить до зміни його електропровідності і дрейфового струму основних носіїв між витоком та стоком.

На рис.2.17.а зображена принципова схема будови польового МОН-транзистора. Він утворюється на напівпровідниковій пластинці здебільшого з кремнію р-типу, на поверхні якої виготовлені дві області n+-типу,  для створення омічних контактів витоку S [S- source] та стоку D [D - drain]. До цих областей через металеві (здебільшого алюмінієві) контактні електроди прикладається напруга VDS - виток-стік і йде струм стоку ID. Стоковий струм йде, головним чином, крізь канал провідності, тому що n+-p переходи в областях витоку  і стоку перешкоджають дрейфу носіїв струму в напівпровідникову підкладинку. Зауважимо, що оскільки в каналі провідності рухаються рівноважні носії струму, то виток S і стік D оборотні, тобто їх можна поміняти місцями. Над каналом провідності створюється металевий електрод загати (затвору) G [G - gate], котрий відокремлюється від кремнієвої підкладинки тонким шаром оксиду SiO2 або іншого діелектрика. В залежності від типу діелектрика розрізняють два типи транзиторів6: МОН- транзистор з діелектриком із SiO2 і МДН - транзистор з іншим діелектриком 7 .

     Здебільшого на практиці використовують два типи каналів провідності, а саме:

  1.  вмонтований канал провідності, котрий створюється додатковим легуванням приповерхневого шару кремнієвої пластинки. В цьому випадку напруга на загаті VG збіднює канал провідності носіями струму і тому такі транзистори називаються збідненими МОН транзисторами.
  2.  наведений канал, котрий створюється (наводиться) напругою на загаті VG. Величину і знак VG вибирають так, щоб відбувалось збіднення каналу носіями струму і при певних VGVT наступала інверсія знаку носіїв струму в каналі. Транзистори з таким каналом називаються збагаченими МОН транзисторами, тому що напруга загати під час роботи транзистора змінює інтенсивність збагачення каналу провідності інверсними носіями струму. Саме такі транзистори, виготовлені на поверхні кремнієвих пластинок р-типу з інверсним каналом n-типу, найбільш часто застосовуються в мікроелектроніці. В цьому випадку крізь канал дрейфують носії з більшою рухливістю (n > р), що дозволяє виготовляти транзистори з кращими параметрами.8 

На рис.2.17 показано, як відраховується довжина каналу провідності L. Вона направлена вздовж осі y, котра йде від витоку до стоку паралельно поверхні напівпровідника. Вздовж осі х канал характеризується глибиною хс. Крім довжини використовують ще й ширину каналу w в напрямку перпендикулярному до осі у і паралельно до поверхні напівпровідника рис.2.17. Вона вибирається так, щоб при заданих параметрах каналу отримати необхідну електропровідність транзистора при робочих напругах на його електродах


50. Проаналізуйте особливості використання когерентних хвиль для обробки інформації

Я не знаю що писати,тому скидаю що небудь

Находкін 299

Оптоелектроніка є розділом електроніки, в якому вивчаються і використовуються ефекти взаємодії елетромагнітних хвиль оптичного діапазону з електронами в речовинах і методи створення оптолектронних приладів з використанням цих ефектів для генерації, передачі, зберігання, обробки і відображення інформації. В роботі оптоелектронних приладів використовують такі явища:

люмінесценцію (електро-, катодо-,фотолюмінесценцію);

електрооптичні ефекти,

магнітооптичні ефекти,

акустооптичні ефекти,

фотоелектричні ефекти,

явища розповсюджування електромагнітних хвиль в ізотропних і анізотропних речовинах,

нелінійні оптичні явища.

Позитивні риси оптоелектроніки зв’язані з нейтральністю квантів оптичного випромінювання, високою частотою електромагнітних коливань ( до 1015Гц), малим розширенням світлового променю (1ґ) і можливістю гострого його фокусування.

Електрична нейтральність фотонів забезпечує:

перешкодозахищеність оптичних каналів зв’язку, бо вони практично не взаємодіють один з одним,

повний гальванічний розв’язок оптичних каналів зв’язку,

подвійну простору і часову модуляцію потоків світлового випромінювання, що дозволяє здійснювати паралельну (одночасну) обробку великих масивів інформації.

Висока частота (мала довжина хвилі < 0,6мкм) оптичного випромінювання забезпечує:

велику роздільну здатність запису оптичної інформації,

високу інформативну ємність оптичних каналів зв’язку.

Нові можливості відкриваються також при використанні когерентного випромінювання.

Існує можливість використати при обробці сигналів ще й поляризацію електромагнітних хвиль.

Малий кут розходження світлового променю і можливість гострого його фокусування дозволяє здійснювати передачу енергії оптичного випромінювання в дану точку простору з малими втратами.

Можливість гострого фокусування світлового променю і малі розміри світловодів дають змогу навіть при малих потужностях світлового променю 10-2Вт.см2 отримувати в мікросвітло-водах велику густину світлової енергії 10-2/2=10-2/10-8Вт.см2 достатньої для появи нелінійних явищ середовища світловоду. Нелінійні явища в звичайних середовищах виникають при напруженостях електричного поля 109В/см. В деяких умовах за рахунок накопичення нелінійних ефектів нелінійність проявляється при менших напруженостях 106В/см (106 Вт/см2). В нелінійних середовищах не виконується принцип суперпозиції і виникають такі прояви: перетворення частоти світлових хвиль, ефекти самовпливу, самопросвітлення середовища, нелінійне розсіяння, нелінійна дифракція, нелінійні магнітооптичні особливості тощо. Деякі з цих явищ зокрема насичення поглинання знайшли застосування в оптоелектроніці для модуляції добротності лазерних резонаторів.


51. обгрунтуйте умови практичного використання явища тунелювання

Тунельні явища використовуються в:

- у різноманітних тунельних діодах. Завдяки наявності спадаючої ділянки характеристики вони використовуються як генератори. Розглянемо докладніше.

У тунельних р-n діодах із сильно легованими р- та n- областями, коли концент-

рація домішок становить ~1018-1019 см-3, створюється дуже вузький р-n перехід протяж-

ністю ~10 нм (рис.6.11). У ньому навіть при помірних напругах утворюються великі

електричні поля з E . 106 В/cм, при яких виникають сприятливі умови для міжзонного

тунелювання. На схематичному рис.6.11.а зображена енергетична діаграма р-n перехо-

ду. При нульовій різниці потенціалів V = 0 крізь вузький збіднений шар товщиною L

<10 нм ідуть однакові струми обох напрямків і сумарний тунельний струм рівний нулеві

(j = j12 - j21 = 0).

Якщо прикласти напругу в запірному напрямку, коли V < 0, рівень Фермі напів-

провідника n - типу зсунеться вниз, як це показано на рис.6.11.b. Електрони з валентної зони напівпровідника p-типу можуть тунелювати в зону провідності напівпровідника n-типу, тому що в ній є достатня кількість дозволених незайнятих електронних станів на тому ж енергетичному рівні. Крізь p-n перехід буде йти струм j < 0, як це показано на

вольт-амперній кривій на рис.6.11.b. Подальше збільшення запірної напруги призводить до зростання струму.

Зміна полярності зовнішньої напруги від запірної до пропускної (V > 0) зсуває

рівень Фермі напівпровідника n-типу вверх по відношенню до його положення в напів-

провіднику р-типу, як це наводиться на рис.6.11c. З’являється можливість тунелювання електронів із зони провідності виродженого напівпровідника n-типу у верхню незаповнену електронами частину валентної зони виродженого напівпровідника р-типу, котра знаходиться вище рівня Фермі Fp. Крізь n-р перехід іде струм протилежного напрямку (j

> 0) по відношення до напрямку струму в запірному напрямку, як це показано на вольт-амперній кривій, зображеній на рис.6.11.с. При напругах в інтервалі (Vp + Vn) < V < (Vp

+ Еg/е) (Еg - ширина забороненої зони, eVn = Fn - Ec(), eVp = Ev() -Fp, де Fn

та Fp - рівні Фермі напівпровідників n- та p - типу відповідно) дно зони провідності напівпровідника n-типу зсувається вище стелі валентної зони напівпровідника р-типу, як це показано на рис. 6.11.d. У цьому разі електрони не можуть тунелювати із зони провідності напівпровідника n-типу, тому що попадають у заборонену зону напівпровідника р-типу; одночасно й електрони валентної зони не можуть тунелювати в напівпровідник n-типу, тому що вони також попадають у його заборонену зону. Тунелювання в обох напрямках стає малоймовірним. Усе це обумовлює зменшення тунельного струму в зазначеному інтервалі напруг eVn+eVp < eV < eVp+Eg, як це видно на рис.6.11.d. Коли напруга стає більшою за eVp+Eg (eV>eVp+ Eg), рівень Фермі напівпровідника n-типу зсувається вище дна зони провідності напівпровідника р-типу. За цих умов тунелювання

знову стає ймовірним і тунельний струм знову зростає, як це видно на рис.6.11.е. Таким чином, за допомогою міжзонного тунелювання вдається отримувати спадаючу вольт-амперну характеристику тунельного діода з n-p переходом, котрий знайшов практичне застосування в спеціальних СВЧ приладах із низьким рівнем потужності, а саме: для гетеродинів, схем синхронізації частоти тощо. Граничні частоти визначаються середнім часом тунелювання та паразитними параметрами еквівалентних схем, в який використовуються тунельні діоди, і можуть бути досить великими – більшими за ТГц (1 ТГц

= 1012 Гц).

- у тунельній спектроскопії.

Тунельний струм залежить від таких факторів: 1. Прозорості потенціального бар’єра Т, 2. Густини початкових станів в емітері , зайнятих частинками, що тунелюють, 3. Густини не зайнятих кінцевих станів в колекторі . А також від енергетичної структури та природи домішкових центрів діелектрика (напівпровідника), котрий розділяє емітер від колекора. Розглянемо приклад. Нехай ми хочемо дослідити енергетичну структуру одного з електродів в сандвічі. Є такий сандвіч:

Один з металевих електродів у нього має специфічні риси енергетичного розподілу густини станів. Специфічні особливості біля рівня Фермі виникають здебіьшого внаслідок електрон-фононної взаємодії або складної електронної структури, котра змінює дисперсію Е(к), наприклад через внесок d та s зон.

Цю особливість краще всього виявити на залежності .

 

- у тунельній мікроскопії.

 В 1981 році швейцарські вчені Герд Бінінг та Генрих Роер використали тунельну емісію для створення унікального фізичного приладу скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), за що в 1986 році вони були відзначені нобелівською премією. В цьому приладі загострений металевий електрод з малим радіусом кривизни підводився за допомогою спеціального пристрою - позиціонера до зразка на відстань d 10A. На таких відстанях хвильові функції електронів в атомах вістря і зразка перекривається. При появі в такій системі напруги V від зовнішнього джерела більшої за висоту ефективного потенціального бар’єра Ф (V>Ф), в системі починає йти тунельний струм, густина якого залежить від різниці потенціалів V і відстані між вістрям і зразком d

                                                     (5.43)

де k0=(2m*/h2)1/2 - стала затухання густини хвильових функцій електронів в тунельному зазорі, -ефективний потенціальний бар’єр, наближено рівний середньому арифметичному роботи виходу вістря в та локальної ділянки зразка зр ( (в+зр)/2 ). Для типових значень роботи виходу    4,5еВ k0 1,1 A-1. На відстанях d 10A при напругах V=0,1B тунельний струм за порядком величини становить j 10-1A. Такої величини струми досить добре вимірюються сучасними промисловими приладами. Зміна відстані d на d  призводить до зміни тунельного струму на величину j. Скориставшись формулою (5.43), оцінимо величину j

                                                  (5.44)

Якщо витримувати j=Const з точністю   2%, то згідно  (5.44)

d/d=|j/j(1+2k0d)|  при d=10A  d/d 1%, а при менших d 1A d можна утримувати сталим і оцінювати  на рівні 0.01А. Режим роботи при j=Const називається режимом сталого струму.

Рис.5.22. Схема скануючого тунельного мікроскопа (СТМ)

     За допомогою тривимірного п’єзодвигуна можна здійснювати просторовий рух вістря. Тривимірний п’єзодвигун складається із трьох взаємно перпендикулярних лінійних п’єзодвигунів, кожний із яких управляється своєю напругою Vx,y,z. Напруга Vz управляє рухом вістря вздовж осі z, перпендикулярній поверхні зразка, що досліджується. Таким чином, при j=Const напруга Vz визначає відстань між вістрям і поверхнею, що досліджується. Сканування вздовж осей х і у дає змогу знайти топографію поверхні z(x,y) тобто її зображення. Проте при цьому треба пам’ятати, що тунельний струм залежить не тільки від відстані, але і від роботи виходу поверхні. Для того, що розділити вплив цих змінних, спочатку в режимі (lgj)/d=Const  визначають прос-торовий розподіл сталої затухання k0(x,y)=(2m*(x,y)/h2), а потім із сукупності даних, що були отримані двома методами при j=Const і lgj/d=Const, реконструюють топографію поверхні зразка, що досліджується.

52 Порівняти, що дає більший внесок чи зміна відстані між вістрям і поверхнею в тунельному мікроскопі, чи зміна роботи виходу.  Cтруму може утримуватись сталим з відносною похибкою 1% . Середня робота виходу 4.0еВ, відстань від вістря до поверхні 10А.


53.  Обгрунтуйте, чому при використанні польових транзисторів з ізольованим затвором використовують компліментарні структури(94-95,394)

Здебільшого для зменшення потужності, що витрачається при роботі МОН транзисторів, в мікроелектроніці використовуються комплементарні (КМОН) транзистори. Вони виготовляються на одному кристалі за допомогою групової технології й складаються із двох МОН транзисторів з р- і n-  каналами провідності. Їх характерною особливістю є протилежна полярність напруг живлення та керування. Найбільш широке застосування вони знайшли в інверторах, призначених для перестановки вхідного та вихідного сигналів. На рис.3.16 зображено поперечний переріз КМОН транзистора, його електрична схема та

передаточна характеристика. Вона  працює так. Нехай спочатку вхідний сигнал Vвх менший порогового сигналу n-канального МОН транзистора але має досить значну від’ємну величину по відношенню до підкладинки р-канального МОН транзистора. В такому режимі р-канальний транзистор відкритий, а n-канальний закритий. Відкритий р-канальний транзистор має малий опір, а закритий n-канальний транзистор великий опір. Тому виникає значний вихідний сигнал Vвих, котрий наближається до напруги зовнішнього джерела живлення Vcc (VвихVcc). При зменшенні від’ємної напруги Vвх знаку р-канальний транзистор закривається, а n-канальний транзистор відкривається. Зовнішня напруга починає падати на закритому р-транзисторі і вихідна напруга зменшується майже до нуля (Vвих0). Таким чином, в двох станах інвертора його вихідна напруга або наближається до напруги зовнішнього джерела живлення, або рівна нулеві. Один із транзисторів КМОН інвертора завжди закритий і крізь систему не тече статичний струм, тому середня статична потужність, що розсіюється, мала, бо wIDVcc0. Передаточна крива КМОН інвертора показана на Рис.3.16.с. Такі позитивні якості КМОН інверторів, як мала середня потужність, максимальна продуктивність більша за 1014 портГц, значний фактор якості Р ~10-14 Дж та більш проста і значно дешевша технологія їх виготовлення по зрівнянню з біполярними транзисторами забезпечує цьому різновиду елементів ІМС широке практичне застосування


54.  Проаналізуйте за яких умов зменшення довжини каналу  МОН- транзистора сильно впливає на його характеристики. Які параметри МОН-транзистора при цьому почнуть змінюватися.(Находкін 102-105)

55. Обґрунтуйте умови виникнення і спостереження квантового розмірного ефекту (КРЕ)(Находкін 42-43, 61-62).

Квантові ефекти повинні виявлятись тоді, коли основні носії струму починають рухатись у потенціальній ямі між двома поверхнями зразку, розміри якої стають меншими за довжину хвилі де-Бройля, тобто при виконанні умови d<. В цьому випадку починає впливати невизначеність складової квазіімпульсу вздовж осі, по якій обмежується розмір зразка, наприклад, його товщиною d. Енергетичний спектр квазічастинок починає залежати від форми та розмірів потенціальної ями V(r).

 по-перше, відстань між розмірними підзонами повинна бути більшою за тепловий розкид квазічастинок по енергіям

                                 E,+1 > kT                                          (2.29)       

Для напівпровідників при 300К ця умова виконується при товщинах d<10-5см.

По-друге, Е,+1 повинно бути більшим за ширину самої розмірної підзони

                                       E,+1 >                                           (2.30)    

За допомогою співвідношення невизначеностей можна оцінити . Ця оцінка дає  > h/, де - середній час життя на даному енергетичному рівні. Якщо допустити, що =m*/e, то

                                       E,+1 > h/ = he/m*                         (2.31)

Для напівпровідників з великими рухливостями носіїв струму, коли > 103см2В-1с-1, ця умова виконується при d < 5.10-6см.

По-третє, концентрація носіїв струму n повинна бути не дуже великою, тому що потрібно, щоб заповнювалась лише перша розмірна підзона, що має місце при умові

                                        n < 1= 3/2d3                                    (2.32)

де 1=3/2d3 - густина станів в першій розмірній підзоні.2 При товщинах d 10-5см ця умова виконується, коли концентрації вільних носіїв  в зразку n менша за 1016см-3 ( n < 1016см). Вона може бути виконана у невироджених напівпровідниках при низьких температурах і в напівметалах таких, як Ві.

По-четверте, тонкий зразок або плівка повинні бути однорідними. Розкид товщин в межах зразка повинен бути меншим ніж довжина хвилі де-Бройля.

При виконанні всіх цих необхідних умов квантовий розмірний ефект буде мати такі прояви:

зміну в енергетичному спектрі носіїв струму, що може спричинити появу напівпровідникових властивостей в деяких напівметалах, викликати зміну ефективної маси носіїв струму;

зміну густини електронних станів та її залежність від енергії; двовимірному випадку вона в перестає залежати від енергії носіїв і починає залежати від товщини зразка;

зміну концентрації носіїв струму n(d);

появу залежності часу релаксації носіїв струму від d.

КРЕ – спостерігають на таких явищах

  1.  періодичні зміни товщинної залежності питомого опору напівметалів,
  2.  особливості вольт-амперних характеристик тунельного струму сендвичів з дуже тонким одним із електродів,
  3.  особливості спектра вбирання інверсних каналів провідності в напівпровідниках.

По-перше, експериментально спостерігались періодичні зміни питомого опору тонких шарів напівметалів Sb та Bi в залежності від їх товщини, якщо забезпечити незмінність структири плівок при зміні товщин. Ця залежність схематично зображена на рис.2.11. Період  дав можливість оцінити досить вірогідні значення енергії Фермі (EF) для цих металів.

По-друге, спостерігаються особливості на вольт-амперних кривих тунельного струму для сендвича, котрий, наприклад, складається із тонкого окисленого шару Ві товщиною d, покритого плівкою Рb, як це показано на рис. 2.12.

По-третє, поява розмірних підзон енергетичного спектру носіїв струму при виконанні умов, необхідних для існування КРЕ, експериментально спостерігається в спектрах вбирання світла в інверсних каналах провідності напівпровідників.


56 Як зміниться довжина хвилі випромінювання інжекційного лазера, якщо ширина смужки робочого тіла зменшиться до 0,03 мкм? Ширина забороненої зони напівпровідника 1,42 еВ, ефективні маси електронів та дірок 0,067m0 та 0.082m0.


57. Обґрунтуйте вибір технології виготовлення інтегральних мікросхем, в яких використовуються польові транзистори з ізольованим затвором. Як впливає ступінь легування його окремих областей на його параметри(294-296).

Уніполярні МОН транзистори є активними елементами ІМС, у яких поперечне електричне поле затвора керує провідністю основних носіїв струму між витоком та стоком.

У 3-й главі було показано, що МОН транзистори мають велике відношення вхідного та вихідного опорів (Rвх/Rвих > 1) у схемах включення з загальним витоком та з загальним стоком. Тому вони забезпечують підсилення потужності слабких сигналів   

На рис.12.20 зображена типова структура КМОН транзистора із зану- реним затвором, виготовленим із полікристалічного кремнію (полі-Si). Принцип робо- ти та основні особливості МОН та КМОН транзисторів уже розглядався в 3-тій главі. Зауважимо, що для МОН транзисторів, особливе значення має підзатворний діелект- рик. Ізоляція між окремими МОН транзисторами має менше значення тому що витік та стік є самоізольованими від напівпровідникової підкладинки зворотно зміщеними р-n переходами (глава 3). Ця обставина є позитивною рисою МОН транзисторів. Вона забезпечує більшу ступень інтеграції ІМС на КМОН транзисторах по відношення до схем на біполярних транзисторах.

Потрібно лише ретельно зменшити поверхневі галь ванічні зв’язки. Для цього, як показано на рис.12.21, створюють додаткові ізолюючі області із SiO2. Негативною рисою КМОН транзисторів є «ефект заскакування». Він полягає в тому, що паразитні npn та pnр транзистори утворюють паразитний рnpnр - тиристор, який при певних напругах між S1 та D2 пропускає значний струм (§3.5.а). Вивести транзистор із цього стану вже неможливо до тих пір, поки не вимкнути джерело живлення КМОН транзистора (тобто поки Vd2-Vd1 не стане рівним нулеві). Для усунення ефекту “заскакування” зменшують паразитні опори підкладинки, наприклад, за допомогою високолегованих областей n+ та p+, зображених на рис.12.20.б, або навпаки викорис- товують КМОН транзистори типу кремній на ізоляторі, які розглядалися у 11-й главі. Крім МОН транзисторів із полікремнієвим затвором використовуються МОН транзистори з керованою пороговою напругою. Зміна порогової напруги затвора (VTef) здійснюється за допомогою величини накопиченого заряду в діелектричній плівці затвора. рис 12.21

У транзисторі, зображеному на рис.12.22.а, порогову напругу затвора регулюють за допомогою тунельної інжекції носіїв заряду на границі розділу Si3N4/SiO2 крізь тонку плівку SiO2. Оксинітрид кремнію використовується для накопичення заря- ду. Цей різновид транзистора називається метал-нітрид-оксид-напівпровідниковою структурою (МНОН).

У двох інших модифікаціях транзисторів, зображених на рис.12.21.b і с, використовується ізольований діелектричною плівкою затвор. Він може довгий час утримувати заряд і називається плаваючим затвором. Порогова напруга керується за допомогою зворотної напруги, що прикладається до р-n переходу між стоком та підкладинкою. Її величина вибирається достатньою для лавинного розмноження електронно-діркових пар. Частина високо енергетичних носіїв інжектує в плаваючий затвор, що змінює його порогову напругу. Зміна VT,ef дозволяє створювати програмовані постійні запам’ятовуючі пристрої на основі нормально відкритих і нормально закритих транзисторів. Вони знаходять застосування, насамперед, при конструюванні складних об’ємних мікросхем статичної оперативної пам’яті, логічних вентилів та переписуючих приладів. Позитивні риси затворного конденсатора знайшли також широке практичне застосування для конструювання та виготовлення спеціальних приладів фу нкціональної електроніки, так званих, приладів із зарядовим зв’язком (ПЗЗ – структури) (див. [9]). Вони будуються у вигляді послідовності близько розташованих МОН структур. Напругами на їх затворах можна передавати зарядовий пакет із однієї потенціальної ями під затвором у сусідню яму.  На рис.12.23 наведена спрощена технологічна схема виготовлення КМОН стру- ктур на основі Si з полікристалічним затвором. Вона подібна до технології виготовлен- ня МОН транзисторів типу кремній на ізоляторі, яка розглядалась у попередній главі. На першому та другому етапах (рис.12.22.1 та 2) після окислення ретельно очищеної поверхні Si (100) на ній утворюють тонкі шари підзатворного оксиду. На третьому ета- пі наносять шар полікристалічного кремнію, який використовується в технології, як маска для створення областей витоку й стоку. На четвертому етапі формують полі- Si затвори й покривають поверхню оксидом. На п’ятому етапі легують області під стоком та витоком за допомогою іонної імплантації крізь тонких шар оксиду відповідних іонів, наприклад, іонів фосфору. Такий метод виготовлення, коли роль маски виконує сам затворний шар полікристалічного кремнію, називається самоузгодженим, тому що дозволяє більш точно виготовляти ці області. Шар полікремнію може використовуватися як міжз’єднання. Канал провідності можна змінювати іонною імплантацією. На шостому та сьомому етапах виготовляють контакти до областей витоку, стоку та затвору. Видно, що для виготовлення МОН транзисторів потрібно використовувати меншу кількість технологічних операцій, ніж при виготовленні біполярних транзисторів, а також можна не використовувати процеси дифузії, що відбуваються при температурах ∼1000 С, тоді як при виготовленні біполярних транзисторів використовується не менше 4-х процесів термодифузії.


58. Проаналізуйте в яких випадках найбільш доцільно використовувати плівкову електроніку (Находкін 339-340).

59. Яку роль відіграють дифузійні процеси в мікроелектроніці.(Находкін 145-148 )

60. Оцінити відстань між сусідніми повздовжніми модами або кут розбіжності вихідних променів в інжекційному квантовому генераторі оптичного діапазону.

Інж. квант.ген. – це лазер на p-n переході. Накачка – зовнішні струм через p-n переход. Випромінювання відбувається перпендикулярно або паралельно струму (це різні конструкції) в області збіднення. Бічні грані являють собою інтерферомент Фабрі-Перо. Тому весь розгляд далі взято з теорії резонатора Фабрі-Перо. Довжина хвилі випромінювання , де L-довжина робочої області резонатора, n є Z. Тому спектр випромінювання являє собою набор еквідистантних мод частотою . Для p-n лазера L=1см, відстань між модами 1010Гц, тобто реально маємо одномодове випромінювання (ну може 2 моди, не більше). Ширина лінії гаусівська. Кут розбіжності променів визначається зі строгої теорії відкритих оптичних резонаторів (Курашов). Ширина прменя в центрі резонатора w(0)=0.3мм, на відстані z від центра w(z)=w(0)[1+(2z/L)2]1/2, тобто при виході з резонатора (коли z=L/2) маємо w(L/2)=2w(0)=1.4*0.3=4.2 мм . Кут розбіжності tg=(w(L/2)-w(0))/L=0.39, =220=0,38рад


61. Користуючись еквівалентною схемою біполярних транзисторів інтегральних мікросхем проаналізуйте вплив  паразитних параметрів на роботу схеми.(Находкін 380-384)

Аналіз роботи транзисторів зручно здійснювати за допомогою еквівалентних схем. Вони складаються з лінійних елементів і вірно відображають похідні, котрі зв’язують між собою малі зміни струмів і напруг. В залежності від величини сигналу, способу включення транзистора та його частотного діапазону роботи розрізняють декілька еквівалентних схем. Наведемо приклади двох низькочастотних малосигнальних еквівалентних схем  транзистора при включенні його із спільною базою і спільним емітером.

Рис.9.9. Еквівалентна схема включення транзистора із спільним емітером.

Еквівалентна схема при включенні із спільною базою зображена на рис.9.8. В цій схемі задається струм емітера і обраховуються або вимірюються всі останні параметри еквівалентної схеми.

Еквівалентна малосигнальна схема при включенні транзистора в схемі із спільним емітером зображена на рис. 9.9. В цій схемі задається струм бази. Аналізуючи схему включення транзистора із спільним емітером, бачимо, що колекторний струм досить сильно залежить від базового струму.

При N= 0.99 B=N/1-N=0,99/(1-0,99)=99.

Ємності Се і Ск виникають тому, що на р-n  і n-p  переходах з’являються просторові заряди. Для надзвичайно грубої оцінки ємностей можна використати час зарядки цих конденсаторів

                                        e = reCe                                    (9.39)

і

                                         b = rbCk                                     (9.40)

Величини постійних часу зарядки цих конденсаторів становлять

e 0.1 нс; b  1.0 нс, тоді Се 100ПФ ; Ск  1 ПФ.

Для більш точного розгляду ємностей потрібно пам’ятати, що колекторному і емітерному переходам притаманні ємності(паразитні), котрі умовно можна розділити на зарядну ємність, зв’язану з наявністю зарядних струмів, і дифузійну ємність, зв’язану з інжекцією носіїв струму.

    Розглянемо спочатку ємність емітерного переходу. Його зарядна ємність Сe,зар наближено визначається таким чином

                   (9.41)

Взагалі під коренем в (9.41) повинна стояти не концентрація акцепторів, а співвідношення  котре для емітерного переходу при Nd>Na переходить в Na. Контактна різниця потенціалів визначається матеріалами і становить за порядком величини 0,30,4В.

     Крім зарядної ємності емітерний перехід має ще дифузійну ємність Се,диф. Вона виникає тому, що при зміні напруги на переході змінюється кількість нерівноважних інжектованих в базу носіїв струму. Дифузійна ємність прямо пропорційна постійному струму емітера і середньому часові існування нерівноважних зарядів в базі . Значення визначається середнім часом дифузії носіїв струму від емітера до колектора крізь базу =w2В/2Dn.

                                             (9.42)4 

Ці ємності за прядком величини такі Се,зар=20100пФ; Се,диф=800пФ при Ie0=1мА, тобто Се,зар < Ce,dif.

Наявність емітерної ємності призводить до того, що коефіцієнт передачі залежить від частоти (/), де =2.43L2/fw2В, де f - час життя носіїв струму в базі. Ці величини мають такі типові значення 6.107с-1, 10мгц.

Колекторний перехід також має зарядову і дифузійну ємність. Його зарядова ємність визначається формулою

                                            (9.43)

Ця ємність менша ніж емітерна дифузійна ємність, бо NaNd  і під коренем буде стояти Na/2  і крім того буде стояти |Vk| > |Ve|.

Дифузійна ємність колектора

                                                       (9.44)

Комбінуючи (9.44), (9.35) і (9.37), маємо

                                              (9.45)

rk > re, тому Ск,диф < Ce,dif.


62. Проаналізуйте, яку роль грають гетероструктури в мікроелектроніці. Наведіть приклади гетероструктур, що використовуються

Контакт з різною зонною структурою(різною шириною забороненої зони) називається гетероконтактом, на відміну від гомоконтакту, котрий утворюється  між напівпровідниками з однаковою шириною забороненої зони. Контактна різниця потенціалів на гетеро контакті між двома напівпровідниками створює контактне електричне поле, котре вигинає зони біля контакту. Розглянемо приклад типового контакту широкозонного н.-п. n+AlxGa1-xAs(Eg= 1.8 eV) та вузькозонного  н.-п. типу GaAs(Eg=1.45 eV) Зобразимо енергетичну схему такого гетеропереходу. В рівновазі хімічні потенціали системи знаходяться на одному рівні (F1=F2). Робота виходу вузькозонного н.-п. більша за роботу виходуширокозонного. Тому контактне електричне поле вигинає зони вузькозонного напівпровідника «у низ», а в широкозонному «у верх». На гетеропереході утворюється розрив зон і в зоні провідності утворюється стрибок потенціальної енергії. З одного боку від стрибка потенціалу на гетеропереході в широкозонному  напівпровіднику утворюється потенціальній бар’єр, а в широкозонному – збіднений носіями шар. У потенціальній ямі власного вузькозонного напівпровідника можуть накопичуватись електрони, а у випадку, коли замість власного вузькозонного напівпровідника викор. Вузькозонний н\п р-типу. У його потенц. ямі накопичуються носії з інверсним знаком заряду. Таким чином на гетеропереході здійснюється просторове розділення зарядів іонізованих домішок та 2D  електронного газу в каналі провідності, локалізованому у вузькозонному н\п.Таким чином 2D  канал на гетеропереході дозволяє отримувати в ньому великі рухливості носіїв.

Використання гетероструктур:

  •  Швидкодіючі діоди, транзистори и тиристори. HEMT-транзистори(hight-electron-mobility-transistor)
  •  Оптоелектронні прилади(гетеролазери, гетеро світлові діоди)
  •  Приймачі оптичного випромінення(фотодіоди, лавинні фотодіоди, фототранзистори, фоторезистори, перетворювачі ІЧ-випромінювання в видиме)
  •  Сонячні батареї на основі гетеро структур типа n-p-p (КПД 25%)


63. Які фізичні явища використовуються для побудови модуляторів світлового променя.

Модулятори - пристрої, котрі призначені для зміни амплітуди і фази оптичного сигналу зовнішнім модулюю-чим сигналом. Для модуляції використовують такі явища:

безпосереднє управління випромінюванням інжекційного напівпровідникового лазера за допомогою струму накачки;

зміною прозорості напівпровідників поблизу краю поглинання в електричному полі - ефект Франка-Келдиша;

електрооптичні ефекти - ефекти Поккельса і Кера ( ефект Поккельса - лінійна зміна показника заломлення звичайного променю від напруженості електричного поля в одновісних кристалах; ефект Кера - квадратична залежність показника заломлення від Е);

магнітооптичні ефекти - зміна оптичних сталих речовини під дією магнітного поля;

зміною просторового перерозподілу світлового потоку при його інтерференції на середовищах збурених акусто-оптичними і магніто-оптичними ефектами.

                                 

64 Спробуйте оцінити роздільну здатність методу фотолітографії.


65.Проаналізуйте за яких умов відбувається генерація світла лазерами    

Проаналізуємо умови генерації світла лазерами на прикладі напівпровідникового Лазера. За своєю будовою він схожий на світловипромінюючий діод і складається з напівпровідникового діоду малого розміру ~250*25*100 мкм,бокові грані якого утворюють резонатор . Лазер збуджується струмом накачки I, що протікає крізь р-n  перехід, При малих струмах накачки (I) рекомбінаційна люмінесценція  утворюється спонтанними переходами збуджених в зону провідності електронів на  вільні рівні валентної зони. При збільшенні струму накачки зростає кількість інжектованих електронів та інтенсивність рекомбінаційної люмінесценції L (рис.7.2 при 0 I Iс). Коли струм накачки стає більшим деякої критичної величини (I > Iс), вимушені переходи призводять до сильного зростання інтенсивності випромінювання L (рис.7.2.А) і зменшення ширини його спектрального розподілу (рис.7.2.Б). За цих умов лазери генерують монохроматичне когерентне світло  в межах спектральної смуги люмінесценції з довжиною   hQ ([мкм] = Q-1), де Q – ширина забороненої зони в еВ.

  

Рис.7.2. Залежність потужності 1) і спектрального розподілу 2) випромінювання інжекційного лазера на р-n гомопереході від густини струму накачки.

Рис. 6.1. Схема будови напівпровідникового лазера на гомопереході з оптичним резонатором Фабрі-Перо.

66.Проаналізуйте вплив паразитних параметрів на резистори інтегральних мікросхем. Еквівалентна схема.

Дифузійні резистори

Схема дифузійного резистора.

     Дифузійні резистори складаються із тонкої приповерхневої області напівпровідникової підкладинки певної форми і розмірів. Схема такого резистора зображена на рис. Резистором служить саме дифузійний шар між контактами А і Б. Його опір рівний

      (9.52)

де 1 і 2 - довжина і ширина, /d=R. Величини опору R = 5200 Ом/, тому R = 5050000 Ом.

Як видно із рис. еквівалентна схема резистора досить складна. Він взагалі є нелінійним елементом. Треба мати на увазі і його недоліки, а саме:

нелінійність,

залежність від температури,

великий розкид значень опорів до 30%.

Схема об’ємного резистора.

Об’ємні резистори

На відміну від дифузійних резисторів об’ємні резистори занурюються на глибину підкладинки і ізолюються від інших елементів обернено зміщеними p-n переходами. Поперечний переріз та еквівалентна схема об’ємного резистора зображена на рис. Проте слід пам’ятати, що вони мають ті ж самі недоліки, що і дифузійні резистори.

67. Яку роль виконує підкладинка інтегральних мікросхем.

Підкладинки ІМС є основою, на поверхні яких або в приповерхневому їх шарі формуються елементи ІМС. Вони поділяються на пасивні і активні. 

Пасивні підкладинки здебільшого виготовляються із скла, сапфіру, ситалу і виконують дві функції: служать основою для формування ІМС і створення ізолюючих проміжків між окремими її елементами. До пасивних підкладинок висувають ті ж самі вимоги, що і до підкладинок плівкових ІМС, а саме: відсутність шорсткості (< 250А), плоскопаралельність (вигини менші, ніж довжини хвиль випромінювання, що використовується при фотолітографії), великий об’ємний та поверхневий питомі опори (>1014Ом.см), електрична міцність Е>40кВ.мм-1, велика теплопровідність (>2/10-3кал.см-2-1град-1), хімічна інертність, механічна міцність, робочі температури без деформацій під дією власної ваги на рівні  400С, можливість обезгажування, низька вартість.

Активні підкладинки служать напівпровідниковим матеріалом для формування ІМС в її приповерхневому шарі. Здебільшого активні підкладинки виготовляють з кремнію. Він має такі позитивні якості:

велику ширину забороненої зони (1.1еВ), що забезпечує малі зворотні струми в р-n  переходах, малі паразитні зв’язки, значний перегрів схеми під час її роботи (робочі температури -70120С);

досить велику теплопровідність, що дозволяє розсіювати значну потужність, що виділяється під час роботи схеми, на рівні до 1.45 Вт.град-1.см-2;

унікальні властивості насиченого оксиду кремнію, що дозволяє використовувати його як маску при металізації і формуванні елементів ІМС за допомогою термодифузії і як ізолятор в МДН-структурах тощо.

В техніці ІМС підкладинки виконують 2 функції:

  •  являються основою, на поверхні або в при поверхневому шарі якої по заданому топологічному малюнку формується структура ІМС
  •  являється елементом конструкції, котрий забезпечує практичне використання ІМС в корпусному або без корпусному використанні

68 Уніполярний МОН транзистор з n-каналом провідності має такі параметри: довжина каналу L = 5 мкм; ширина w = 50 мкм; xox = 0,1 мкм; порогова напруга VT,ef = +1 В; діелектрична стала оксиду   ; рухливість носіїв n   см2В-1с-1. Знайдіть струм стоку, активний опір каналу, крутизну, якщо транзистор працює в лінійному режимі при напругах  VG = 3 B,VD = 0,1 В.


69. Проаналізуйте умови, за яких в каналах провідності виникає велика рухливість носіїв заряду.

Рухливість:, тому чим більше τ, тим вища рухливість. Слід робити канали, в яких багато вільних носіїв, та мало центрів розсіювання. Це досягається при модульованому легуванні.

Розглянемо гетероперехід AlxGa1-xAs–GaAs, x = 0.35. AlxGa1-xAs – сильно легований. Утворюється вироджений 2Д-газ . Електрони в GaAs прийшли з AlxGa1-xAs. В такій гетероструктурі зарядові центри та носії (е-) – рознесені (за рахунок крюка). Отже, опір структури – малий, а рухливість – велика. Для збільшення рухливості не роблять легування біля межі.

70. Чи можна використовувати тунельні прилади в НВЧ діапазоні частот ?

В явищі тунелювання основну роль грають основні носії струму. Час їхнього прольоту крізь потенціальний бар’єр обернено пропорційний ймовірності квантомеханічного переходу за одиницю часу   D-1. Він дуже малий і тому тунелювання можна застосовувати при конструюванні  надвисокочастотних електронних приладів навіть в діапазоні міліметрових хвиль;

.


71. Засади, що використовуються для просвітлення оптичних пристроїв.

У Находкина нету

Просвітлення (зменшення коефіцієнта відбиття світла R). Зменшення коефіцієнта відбиття здійснюють за допомогою просвітлення оптики. Для цього на поверхню вхідного вікна наносять тонкий шар прозорого діелектрика з показником заломлення nД = (nфnе)1/2, де nф та nе – показники заломлення напівпровідника фотодіода та оточуючого середовища. Товщина цього шару повинна бути кратною непарному числу λ/4, де λ –довжина хвилі випромінювання.

Просвітлення використовується в оптоелектроніці , а точніше в фотодетекторах, де він слугує для збільшення інтегральної чутливості фотодетекторів. Просвітлена оптика знайшла застосування при виготовленні телескопів, біноклів, фототехніки, де значну роль грає відбитий промінь. Зокрема використовують схему, коли на основну лінзу наносять не один, а два шари плівки. Загалом можна використовувати багатошарову схему, з відповідними товщинами плівок для погашення відбитих світлових потоків з різними довжинами хвиль. Тобто просвітлення використовується для того щоб змінити показник заломлення середовища.


72 Який впив може здійснювати скін-ефект на роботу елементів інтегральних мікросхем  Приклади.

Известно, что при прохождении переменного тока по проводящему слою проводника или полупроводника имеет место так называемый `поверхностный эффект' (скин-эффект). При этом большая часть движущихся электрических зарядов из-за электромагнитной индукции располагается вблизи поверхности токопроводящего слоя. Отрицательное действие скин- эффекта проявляется в том, что большая центральная часть токопроводящего слоя не участвует в переносе электрических зарядов, что вызывает повышенное сопротивление проводника электрическому току. фроме того, скин-эффект в металлических проводах и в обкладках конденсаторов приводит к медленному перераспределению подвижных электронов от центра к поверхности, вследствие чего возникают нежелательные эффекты направленности и `притирки' кабелей, а в конденсаторах усиливается эффект `памяти'. Отрицательное действие скин-эффекта на кабели и провода усугубляется еще и тем, что химические соединения металла токопроводящего слоя с кислородом и азотом воздуха, образующиеся на поверхности провода в результате коррозии, обладают диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами, что, в свою очередь, способствует росту потерь и искажений. фак известно, степень проявления скин- эффекта зависит от частоты тока. эочнее, от мгновенной частоты тока. С ростом частоты толщина поверхностного слоя, по которому проходит ток, уменьшается. В случае широкополосного сигнала, где мгновенная частота с трудом поддается описанию, скин-эффект вызывает полный бардак в размещении подвижных электронов по поперечному сечению проводника. Следствием этого являются нелинейные, интермодуляционные и частотно-фазовые искажения электрического широкополосного сигнала, проходящего через проводник или полупроводник. В бытовой и профессиональной аудиоаппаратуре скин-эффект соединительных межблочных и акустических проводов приводит к заметным на слух искажениям сигналов, ухудшающим качество звуковоспроизведения. В радиоприемной аппаратуре последствия скин- эффекта (например, в кабеле, соединяющем антенну со входом радиоприемного устройства) из- за создаваемых им интермодуляционных искажений широкополосного сигнала заключаются в снижении избирательности, уменьшении отношения `сигнал/шум' и снижении реальной чувствительности. Известно, что при прохождении переменного тока по проводнику основная (полезная) электромагнитная волна распространяется вдоль проводника по прямой линии между точками с разными потенциалами. Из-за скин-эффекта кроме полезной волны возникает нежелательная паразитная электромагнитная волна, направленная от центральной оси токопроводящего элемента к его поверхности, перпендикулярно направлению полезной волны, вызывая фазовые искажения проходящего сигнала. В цифровых импульсных устройствах, например, компьютерах, из-за скин-эффекта в медных проводниках печатных плат и разъемов искажается форма коротких импульсов, что приводит к срывам синхронизации, сбоям в регистрации импульсов. Это основное препятствие повышению тактовой частоты в материнских платах и разъемах компьютеров. На сверхвысоких частотах скин-эффект резко снижает добротность реактивных элементов - конденсаторов и катушек индуктивности. Вследствие этого на частотах выше 1 гГц скин-эффект является основным фактором, ограничивающим миниатюризацию радиоэлектронных изделий, например микросхем. Именно скин-эффект несет ответственность за так называемый `транзисторный эффект' звучания. В транзисторах поперечная площадь кристалла намного меньше площади поперечного сечения электронного облака, как и площадей катода и анода в лампе. фроме того, контактные площадки на поверхности кристалла транзистора подсоединены тонюсенькими проволочками (это знает любой, кто хоть раз видел транзистор без корпуса), в которых скин- эффекту живется очень вольготно.

- Что же можно сделать для борьбы с этим явлением?

Я могу порекомендовать недорогой и эффективный способ нейтрализации скин-эффекта. Он основан на том обстоятельстве, что материал подавляющего большинства проводников (медь, серебро, алюминий, латунь) и полупроводниковых (кремний, германий) элементов имеет показатель относительной магнитной проницаемости m от 0,9999 до 1,0001, т. е. около единицы. Поверхность токопроводящего элемента 1 покрывают парамагнитной оболочкой 2 (см. рис.), причем оболочка не обязательно должна плотно прилегать, возможен некоторый небольшой зазор. Оболочка выполняется в виде одного или нескольких слоев твердого парамагнитного m больше 1 диэлектрического материала (магнитодиэлектрика), обладающего на макроуровне показателем относительной магнитной проницаемости m, в несколько раз превосходящим проницаемость токопроводящего элемента, низкой электропроводностью, а также малыми потерями на перемагничивание (петля гистерезиса). На рис. для наглядности показано два слоя оболочки: слой 3 и слой 4. Оболочка должна закрепляться неподвижно относительно токопроводящего элемента на его поверхности; в случае зазора ширина его не должна превышать половину длины волны переменного тока в токопроводящем элементе.


73 Знайдіть паразитні параметри біполярного транзистора. Знайдіть його передаточну криву. Поясніть чим відрізняється режим роботи в схемі з загальним емітером та схемі з загальною базою.

 

Схема включения транзистора с общей базой. Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать каскады сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал, но так и не разбирался. Объясню: транзистор управляется его базой, вернее током, или напряжением, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора - базы на выходе - не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор "сажают" по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод - эмиттер через низкоомный резистор "сажают" на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой - тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко.

Быстродействие ключевого элемента определяется максимально допустимой частотой следования входных переключающих сигналов. Очевидно, что оно зависит от общей длительности переходного процесса, определяемой инерционностью транзистора и влиянием паразитных параметров (например, перезарядом паразитных емкостей в процессе переключения). 

Посилання на 37 питання 66 ст


74 Оцінити товщину напівпровідникового шару, в якому виконуються необхідні умови спостереження 

Полилочка, там   d<


77. Наведіть приклади застосування акустоелектричних пристроїв. Які фізичні явища в них використовуються?

«Функціональна електроніка» Находкін (Синя), ст.50-52

Явища, що використовуються в акустоелектроніці.

Для генерації акустичних хвиль, створення динамічних неоднорідностей в звуководі та зворотного перетворення акустичних хвиль в електричний сигнал використовується такі фізичні процеси: прямий та зворотний п’єзоелектричні ефекти, електрострикцію, електроакустичні ефекти - взаємодію акустичних хвиль з електронами провідності (електрон - фононну взаємодію), деформаційний потенціал - зміну енергії електронів з зоні провідності  або дірок у валентній зоні при деформації, магнітострикцію тощо. При цьому використовують як лінійну, так і нелінійну взаємодію. На основі цих явищ створено велика кількість різноманітних акустоелектронних приладів: резонаторів, фільтрів, п’єзоелектричні перетворювачі для об’ємних та поверхневих акустичних хвиль, п’єзотрансформатори або п’єзерів, функціональних елементів, п´єзодвигуни, координатно записуючі пристрої, сканери, лінії затримки, модулятори, кодери, корелятори, ковойлери тощо, котрі працюють в області частот 105 - 109 Гц.  

За принципом дії, як це видно з рис.3.1 їх можна розділити на три групи пристроїв:

-взаємодії (здебільшого резонансної) електричних коливань з акустичними;

-взаємодії акустичних хвиль, які розповсюджуються в звуководі з швидкістю (vа) меншою за швидкість електромагнітних хвиль (с), з неоднорідностями звуководу;

-пристрої нелінійної взаємодії акустичних хвиль.

За допомогою акустоелектронних пристроїв можна здійснювати перетворення сигналів за амплітудою, фазою, частотою, частотним спектром, часовим положенням, а також здійснювати функціональні перетворення, такі як кодування та декодування, отримувати згортку та кореляцію сигнальних функцій. Застосування акустоелектронних пристроїв дозволило значно зменшити габарити та масу пристроїв, призначених для обробки інформації.

Рис.3.2. Діаграма зв’язку між фізичними параметрами, що призводять до  головних та спряжених ефектів в діелектриках. Головні ефекти: 1 – поляризація (ЕD(P)), 2 – деформація (ТS),  3 – зміна ентропії (). Спряжені ефекти: прямий п’єзоефект (Т D), зворотний п’єзоефект (Е S), п’єзокалоричний ефект (Т), електрокалоричний ефект (Е), теплове розширення (S), піроефект (D). Е – напруженість електричного полі, D – електростатична індукція, - температура,   - ентропія, Т – механічна напруженість, S – деформація.


78
Чи суттєво зміниться ємність МОН транзистора в режимі збіднення, якщо концентрація акцепторів збільшилась в 100 разів. Si/ох=5 хох = 5 нм Lе 10-5 см.

Але як на мене, то палєво. Можна так:


79. Проаналізуйте умови, за яких в каналах провідності виникає велика рухливість носіїв заряду.

«Фізичні основи мікро- та наноелектроніки» Находкін, ст. 110-111

------------------------------------

Здавалося-б завдяки ефектам короткого та тонкого каналу повинна збільшуватись рухливість. Але ні. Там виникає розігрів електронів провідності, а розігрів зменшує рухливість (по якійсь-там формулі). Тому єдине що можна написати про велику рухливість – це НЕМТ транзистори, або транзистори на гетеропереходах

------------------------------------

НЕМТ транзисторами називаються транзистори з великою рухливістю електронів (High Electron Mobility Transistor, скорочено НЕМТ). У них використовують канали провідності, що утворюються між напівпровідниками з різною зонною структурою (різною шириною забороненої зони). Такий контакт називається гетеро-контактом на відміну від гомоконтакту, котрий утворюється між напівпровідниками з однаковою шириною забороненої зони.

Контактна різниця потенціалів на гетероконтакті між двома напівпровідниками створює контактне електричне поле, котре вигинає зони біля контакту. Розглянемо приклад типового контакту (рис.3.28) широкозонного напівпровідника n+ AlxGa1-xAs (з шириною забороненої зони Еg1 = 1,8 еВ) та вузькозонного напівпровідника і - типу GaAs (із забороненою зоною Еg2 = 1,45 еВ). Зобразимо енергетичну схему такого гетеропереходу. В рівновазі хімічні потенціали системи знаходяться на одному рівні (F1=F2). Робота виходу вузькозонного напівпровідника більша за роботу виходу широкозонного. Тому контактне електричне поле (йому відповідає потенціальна енергія E0) вигинає зони вузькозонного напівпровідника „униз”, а у широкозонному – „уверх”, як це видно на рис.3.28. На гетеропереході утворюється розрив зон і в зоні провідності утворюється стрибок потенціальної енергії. З одного боку від стрибка потенціалу на гетеропереході в широкозонному напівпровіднику утворюється потенціальний бар’єр, а в широкозонному - збіднений носіями шар. У потенціальній ямі власного вузькозонного напівпровідника можуть накопичуватися електрони, а у випадку, коли замість власного вузькозонного напівпровідника використовується вузькозонний напівпровідник р-типу, у його потенціальній ямі накопичуються носії з інверсним знаком заряду. Таким чином, на гетеропереході здійснюється просторове розділення зарядів іонізованих домішок (у даному випадку іонізованих донорів у широкозонному напівпровіднику) та 2D електронного газу в каналі провідності, локалізованому у вузькозонному напівпровіднику.

Таким чином 2D канал на гетеропереході дозволяє отримувати в ньому великі рухливості носіїв. Наприклад, у каналі між GaAs та Al0,3Ga0,7As при кімнатній температурі рухливість електронів дорівнює (300К) ~ 8000 см2/Вс, а при температурі рідкого азоту (78К) ~  см2/Вс, що суттєво покращує параметри МОН транзисторів. Такі транзистори називаються НЕМТ транзисторами. Вони мають час перемикання при кімнатній температурі менше 56 нс, а при 78К – 17*10-12 сек. В перспективі це дозволяє створювати транзистори, котрі при температурах 78К працюють на частотах, сумірних із частотами контактів Джозефсона, котрі працюють при температурах 4,2К.


80.  (Вики, Находкін стр.190, 184) Де використовуються в мікроелектроніці тунельні явища? Наведіть приклади

Важливими застосуваннями явища тунелювання є резонансний тунельний квантовий діод та тунельний мікроскоп, тунелювання використовується для розрядки елементів флеш пам'яті.

тунельна спектроскопія дає можливість досліджувати різноманітні особливості енергетичного спектру твердих тіл в приповерхневій області. Вона досить швидко розвивається і застосовується для досліджень приповерхневих станів твердих тіл. Поєднання її з тунельною скануючою мікроскопією, дає унікальні можливості досліджувати енергетичні особливості дослідження електронних станів в окремих місцях поверхні з атомною роздільною здатністю.

В тунельних р-n діодах з сильним ступенем легування р- і n- областей, коли концентрація донорів та акцепторів становить 1018...1019 см-3 створюється надзвичайно вузький р-n перехід протяжністю 100А. В вузькому переході навіть при помірних напругах утворюються великі електричні поля напруженістю 106 В/cм. Цих полів достатньо для того, щоб створити сприятливі умови для міжзонне тунелювання. Воно використовується в тунельних діодах.

Резонансне тунелювання можна використати при розробці нових різновидів польових транзисторів. Для цього в області каналу провідності потрібно створити потенціальні бар’єри, які виділять дуже малу частину каналу, в якій виникнуть розмірні підзони. Схема такого транзистора зображена на рис.6.14. Наявність розмірних підзон, положення яких може змінюватись за допомогою напруги на затворі, дозволяє створювати умови для здійснення резонансного тунелювання. Енергія електронів, що йдуть від витоку до тунельного бар’єру, повинна для тунелювання збігатись з дозволеною енергією всередині потенціальної ями, котра створюється за допомогою потенціалу затвору.

Резонансне тунелювання і зокрема напівпровідникові двохбарєрні системи застосовуються не тільки для створення НВЧ діодів, але й для створення транзисторів та інших складних мікроелектронних схем. При  цьому двохбарєрні системи використовуються як емітери, бази та колектори. Це дозволяє отримувати на їх вольтамперні характеристики з ділянками (однієї або декількох) з відємним диференціальним опором та працювати в області НВЧ. Зокрема, якщо двохбарєрні системи використовуються як емітери, то вдається в десятки разів зменшити енергетичний розкид електронів, що інжектують і базу. Це покращує властивості транзисторів на гарячих електронах. Тому докладаються значні зусилля для подальшого вдосконалення досить складної нанотехнологiї виготовлення багатобарєрних систем.


  1.  (Находкін Електро стр. 327-333) Як впливають квантові розмірні ефекти на роботу інжекційних лазерів.

Лазери з квантовими розмірними шарами мають розміри активної речовини сумірні з довжиною хвилі де-Бройля, і тут починається вплив квантових розмірних ефектів. За цих умов збільшується взаємодія світла з середовищем в перерахунку на один оптичний перехід, зростає коефіціент підсилення світла, зменшується струм накачки.

В квантових розмірних системах змінюється енергетична структура – зони розбиваються на розмірні підзони, і змінюється густина станів. Розрізняють три випадки квантових розмірних структур:

  •  двовимірний випадок(2D) або випадок квантових ям, коли зразок має вигляд тонких плівок і квантове обмеження відбувається лише в одному напрямку вздовж однієї із координатних осей, наприклад, осі Х(daD), а вздовж інших осей рух носіїв не обмежений;
  •  одновимірний випадок (1D) або випадок квантових дротів або ниток, коли зразок має вигляд дроту або тонкої смужки і має місце квантове обмеження в двох напрямків вздовж осей х і у – по товщині  daD і ширині активного шару W< λD, а вздовж третього напрмку – осі z квантове обмеження відсутнє і рух носіїв не квантований;
  •  нульвимірний ефект (0D) або випадок квантових точок, коли в зразку має місце квантове обмеження в трьох напрямках  da,W<λD.

А тепер найголовніше:

  •  В 2D випадку на краях підзон різко збільшується густина станів і концентрація носіїв, що беруть участь у виушених переходах. Ця обставина збільшує коефіцієнт підсилення світла і зменшує порогову густину струму накачки з 103 А/см2 до 100 А/см2, а в кращих лазерах на квантових ямах GaAs густина струму накачки сягає навіть 20 А/см2.
  •  Зменшується напівширина спектральної лінії, що випромінюється.
  •  Квантові розмірні інжекційні лазери більш стабільні до коливань температури, тому що носії засереджуються на на дні розмірної підзони, якщо потенціальна яма глибока, і потрібна підвищена температура для суттєвої зміни цього розподілу.

Перехід до приладів з використанням систем ще меншої розмірності 1D і 0D, коли розміри зразка вздовж двох або трьох координатних осей стають меншими, ніж довжина електронної хвилі де-Бройля, призводить до подальшого зменшення протяжності енергетичного розподілу густини станів і концентрації носіїв.

Висновки: Лазери з квантовими розмірними шарами, розміри яких ≈10нм, мають низькі порогові струми, високу швидкість прямої модуляції, меншу ширину спектральної лінії і знижену температурну залежність порогового струму.

82. Порівняйте два сандвіча однакових розмірів з вакуумним та діелектричним зазорами (=1, =10). У якому із них струм обмежений просторовим зарядом більший та у скільки разів

________________________________________________________________________________________________________

Ig=εµ0V2/4πL3

У випадку вакууму

IB= εV3/2/8πL3

Ig=Q/t=QµnV/L2     µn

Q=CV= εV/4πL

У вакуумі дрейфова швидкість пропорційна не напрузі а корню з неї

tdr=(½(2eV/m)½)-1

IB=Q/tdr= (εµn/4πL3) V3/2

Ig/ IB= (εµnV2/4πL3)*(8 πL2/CV3/2)=20µnV1/2/L


83 (Находкін стр.92-95) Проаналізуйте умови роботи різних схем включення МОН транзисторів. Як вони виготовляються в ІМС?

Уніполярний транзистор є чотириполюсником, для якого розрізняють три різновиди схем включення, а саме: із загальним витоком (рис. 3.12), з загальним стоком (рис 3.14) і з загальним затвором (рис 3.15).

Сема включення із загальним витоком та її еквівалентна низькочастотна схема зображені на рис 3.12. Вона характеризується такими параметрами.

По-перше великим вхідним опором  Ом. Він має ємнісний характер й зменшується при збільшенні частоти сигналу , де  - коефіцієнт підсилення напруги в залежності від частоти. По-друге помірним вихідним опором

По-третє, значним коефіцієнтом підсилення напруги

У насиченні  тому . Таким чином, здебільшого МОН транзистори в схемах із загальним витоком використовуються в режимі насичення для конструювання підсилювачів напруги та логічних схем. На рис 3.13 зображена передаточна хар-ка такого приладу.

Еквівалентні схеми дозволяють врахувати від’ємний зворотній зв’язок за рахунок падіння потенціалу на опорі в області витоку Rs а також зменшення коефіцієнта підсилення при збільшенні частоти сигналу     

Сема включення із загальним стоком зображена на рис 3.14. Вона має великий вхідний опір.Її коефіцієнт підсилення напруги менший одиниці, але коефіцієнт підсилення потужності значний через значну величину відношення вхідного та вихідного імпедансів. Вони здебільшого застосовуються як узгоджувальні елементи складних електронних схем.

Схема із загальним затвором зображена на рис 3.15.  Вона має малий вхідний опір  та низький вихідний і використовується як узгоджувальний елемент.

Виготовлення:

На Si наноситься оксид SiО2

Далі створюється шар  Si n+

На половину зразка наносимо захисний екран з оксиду , а в іншій створюємо р+ область

Розчиняємо в розчині верхній шар SiО2

Наносимо новий шар оксиду кремнію та полікристалу кремнію

Методом літографії залишаємо полі кремнієві острівці  і вкриваємо шаром оксиду

Далі виготовляються металеві контакти, через них створюються в Si n+ області р-типу.

МОН транзистори виготовляються на одному металі методом групової технології.


84. (Находкін стр. 186-190, Находкін електро стр.130) Резонансна тунельна емісія. Природа явища. Як відрізнити резонансне тунелювання від нерезонансного?

Рис.6.11. Енергетична діаграма металу з адсорбованим атомом.

В тунелюванні можуть брати участь енергетичні рівні домішкових або адсорбованих на поверхнях переходів атомів (молекул), поверхневі рівні, енергетичні рівні підзон у випадку розмірного квантування тощо. На рис.6.11 зображена енергетична схема поверхні металу з адсорбованим на його поверхні атомом. Метал знаходиться у вакуумі в електричному полі з напруженістю E = V/x =tg. Домішковий центр зображений на рис.6.11 у вигляді кулонівської потенціальної ями, збуреної зовнішнім електричним полем. Збурення впливає на вигляд потенціальної ями. Вона стає несиметричною. В середині кулонівської ями зображені дозволені дискретні електронні рівні енергії. Штрих пунктиром зображено положення рівня Фермі (F) в металі з адсорбованим атомом. Нехай дозволений незаповнений енергетичний рівень в адсорбованому атомі збігається з рівнем Фермі (Eі = F). В цьому випадку електрон, що знаходиться на рівні Фермі в металі, має скінчену ймовірність тунелювати на енергетичний рівень і адсорбованого атома. На цьому рівні електрон може знаходитись в середньому секунд і після цього тунелювати крізь другий потенціальний барєр. Досліди показують, що, коли енергія електронів, що тунелюють, збігається з енергією вакантного енергетичного рівня в потенціальній ямі між двома барєрами, то ймовірність тунелювання крізь два барєри (T) зростає. Вона стає більшою за добуток індивідуальних коефіцієнтів прозорості T > T1 T2, де T1,2 - коефіцієнти прозорості першого та другого барєрів відповідно. При певних напругах на вольтамперній характеристиці тунельного струму зявляється сплеск. Ці властивості використовуються в тунельній спектроскопії (§5.5). Збільшення коефіцієнта прозорості при проходженні електронами певних енергій  (E = Ei) квантової двохбарєрної структури, коли електрон ніби "не помічає" потенціальних барєрів, тобто проходить без відбивання від барєрів, називається резонансним тунелюванням.

Середній час життя  обернено пропорційний ймовірності виходу електрона з цього рівня. Електрон, що знаходиться на енергетичному рівні і , може тунелювати як праворуч з ймовірністю D1, так і ліворуч з ймовірністю D2. Його середній час життя визначаєься повною ймовірністю вийти з цього рівня, тому

                               = (D1 + D2)-1                     (5.37)

Визначимо тепер р1 - ймовірність того, що електрон тунелює крізь лівий бар’єр і захоплюється енергетичним рівнем хі атома. Ймовірність такої складної події пройти крізь бар’єр з ймовірністю D1 і бути захопленим адатомом з ймовірністю w рівна добутку ймовірностей

                             (5.38)

Визначимо тепер p2 - ймовірність того, що електрон пройде крізь два бар’єри. Відбудеться складна подія пройти лівий бар’єр, бути захопленим енергетичним рівнем атома і з ймовірністю р1 і пройти правий бар’єр з ймовірністю D2

                           (5.39)

Із аналізу формули (5.39) бачимо, що чим ближче енергія електрона , що тунелює, до енергії локального рівня і, тим більше тунельний струм. Це явище називвається резонансним тунелюванням.  За допомогою фомули (5.39) знайдемо відношення ймовірностей резонансного (р2) і не резонансного тунелювання (р2=D1D2)

                                                  (5.40)

Із формули (5.40) видно, що відношення ймовірностей резонансного і не резонансного тунелювання збільшується, коли енергія наближається до і. Таким чином, при резонансному тунелюванні ймовірність процесу збільшується за двох умов, а саме:

коли =і і

коли зменшуються коефіцієнти прозорості тунельних барєрів D1 і D2 . При цьому на вольт-амперних кривих з’являються викиди, які дійсно спостерігаються експериментально.

Sibon: Нерезонансне тунелювання – тунелювання з рівня на рівень. Резонансне – коли у нас є ще один рівень через який електрон перестрибує (дивись означення вище)

  1.  
    (???) Що нового в мікроелектроніці відкриває застосування гетеропереходів? Приклади.

При виготовленні гетероконтактів використовують канали провідності, що утворюються між напівпровідниками з  різною зонною структурою. Використовують напівпровідники з майже однаковими кристалічними гратками але різними ширинами заборонених зон.

На рисунку – енергетична діаграма гетеропереходу GaAS/AlGaAs.

Контактна різниця потенціалів призведе до викревлення зон. Паралельно полю виникне розрив зов і трикутна потенціальна яма.

В цій трикутній потенціальній ямі може спостерігатися квантовий розмірний ефект. У потенціальній ямі власного вузькозонного напівпровідника можуть накопичуватись електрони, а якщо замість власного використовувати вузькозонний напівпровідник р-типу, у потенціальній ямі накопичуватимуться носії з інверсним знаком заряду. Тобто ми отримаємо просторове розділення зарядів. + 2D канал провідності з можливістю керувати за допомогою зовнішньої напруги його параметрами.

Особливості 2D  каналу на гетеропереходах дозволяють отримувати у ньому великі рухливості носіїв, що дозволяє зменшувати час прольоту і збільшувати робочу частоту транзисторів (≈300ГГц). Використання гетеропереходів дозволяє зменшувати канали провідності настільки, що стає можливим балістичний ( без зіткнень) транспорт носіїв. Є можливість використання одноелектронних явищ і резонансного тунелювання. Використання дифракції та інтерференції хвиль де-Бройля в каналах з 2D електронним газом. Використовуються для створення приладів із зарядовим звязком ПЗЗ.


86
Якщо вважати, що для роботи елементів інтегральних схем потрібна мінімальна напруга 10kT/e, знайти у скільки разів відрізняються допустимі розміри ємнісних і резистивних елементів, що визначаються         перегрівом елементів.

1.7. У скільки разів відрізняються допустимі розміри ємнісних і резистивних елементів, що визначаються перегрівом елементів, при мінімальній напруці 10kВT/e. 

Задача1.7. 

Скориставшись розглядом теплового балансу пластинки в попередній задачі маємо

;      РmR=V2m/R=(10kT/e)2(d2/d);   PmC=V2mC/2=(10kT/e)2(d2/8d)

де M - час максвелівської релаксації.

1.6. Оцінити мінімальний розмір елементу ІМС на пластинці товщиною h = 0,1 мм, коли його розмір обмежується перегрівом ємнісних елементів схеми і не може бути більшим за Тm = 200С. Коефіцієнт теплопровідності матеріалу пластинки Т = 10-2 калсм-2 с-1град-1, густина 1,4 гсм-3, теплоємність с = 0,2 калмоль-1град-1, час переключення = 10-9 с, тактова частота = 107 Гц.

Задача 1.6.  Розподіл температури визначається рішенням рівняння теплопровідності

                      

де W -  питома потужність. Припустимо, що Т поверхні платівки стала Т(х=0,5h) = Т1 = Const. В стаціонарному випадку при W = Const

  

Тоді максимальному значенню перегріву Т відповідає Тm = Т0 - Т1, звідки . Енергію одного елементу в зарядженому стані оцінимо як . Тоді .   Звідси  .  Для чисельної оцінки виберемо Vmin = 10kВT, тоді d > 0,24 мкм.


87 На поверхні кремнію існує  р-типу збіднений шар. Концентрацією електронів в цьому шарі можна знехтувати. Знайти товщину області просторового заряду при кімнатній температурі, якщо поверхневий потенціал Vs = 0,25 В, а обємна концентрація неглибоких повністю іонізованих акцепторів становить Na = 1015 см-3.

 


88. (Находкін Електро стр.282-284) Принцип роботи, властивості та застосування кварцового резонатора.

Кварцовий резонатор є одним із резонансних приладів функціональної акустоелектроніки, що найбільш широко використовуються на практиці. Він являє собою однорідну пластинку кварцу, в якій змінне електричне поле викликає змінні пружні механічні коливання внаслідок дії п’єзоелектричного ефекту. Кристали - кварцу відносяться до тригональної системи. Він має три вісі симетрії другого порядку Х1, Х2, Х3 (рис.3.4.а). Ці осі є полярними осями кристала кварцу. Кожна з них з’єднує протилежні ребра шестигранної призми. Як видно з рис.3.4 ці ребра нерівнозначні, тому що на краю одного ребра є, а на другом немає маленьких граней, позначених на рис.3.4 через а і b. Четверта вісь Z є віссю симетрії третього порядку. Вона називається оптичною віссю кристала. Вздовж оптичної осі Z п’єзоелектричні властивості не спостерігаються. На рис.3.4.b схематично зображено поперечний переріз перпендикулярний до осі Z, на якому видно розподіл атомів кремнію і кисню. Зміщення атомів, що викликається напруженнями або деформаціями в цій площині,  призводить до появи перерозподілу зарядів тобто до появи поляризації. Тому кварцові пластинки вирізають з кристала так, щоб площини її зрізів були перпендикулярними до однієї з полярних осей кристала кварцу (на рис.3.5 полярні осі розташовані в площині ХУ).

Запишемо зв’язок між поляризацією Р, що виникає при появі напружень Тij на пластинці з кристалу кварцу, зображеній на рис.3.5. Полярні осі розташовані в площині ХУ. Вісь Х є електричною віссю, а перпендикулярна до осі Х вісь У - механічною віссю.

 

Перший індекс вказує напрямок зовнішньої нормалі площини, до якої прикладена сила натягнення, а другий - напрямок координатної осі, на яку проектується сила. Якщо Тхх 0, а Тxz = Txy = 0, то сили прикладені паралельно осі Х стискають або розтягують зразок і викликають поляризацію вздовж лише цієї осі, тобто лише Рх 0. Тому ця вісь називається електричною віссю. В тих випадках, коли крім

розтягальних або стискаючих сил є ще зсувові сили Тxz 0 і Txy 0, то Рх 0 і Ру 0, тобто виникають заряди в площинах ZX i ZY. П’єзоефект кварцу визначається лише двома п’єзоелектричними модулями е11 = 6,99·10-8 дн-1/2·см і е14 = - 2,0·10-8 дн-1/2·см. Ці модулі визначають два значення швидкості розповсюдження пружних (акустичних) хвиль в кварці. Якщо електричне поле прикладемо вздовж осі Х, то виникають лише коливання густини. Коли є складові сил і в іншому напрямку, то виникають більш складної форми, які включають також коливання зсуву. Таким чином тип коливання та п’єзоелектричні сталі навіть для одного і того ж кристала суттєво залежать від зрізу, який використовується в даному випадку, і від форми п´єзоелемента.

Найбільш легко збуджувати об’ємні коливання кварцової пластинки на резонансній частоті, котра визначається її товщиною d і швидкістю звука Vа в кварці. Резонансна частота визначається за формулою р = Vа / = Vа /2d  (3.5)

Рис.3.6. Еквівалентна схема кварцового резонатора.

Кожному зрізу притаманна своя  частотна стала. Для даного зрізу і форми п´єзоелементу при сталій температурі резонансна частота кварцового резонатора фіксована. Частотна стала  для кварцу знаходиться в межах р·d =  0,4 6,3 МГц. Мм.

Зміна температури призводить до зміни розмірів і п’єзоелектричних модулів, тому резонансна частота залежить від температури. В залежності від зрізу температурний коефіцієнт частоти f/f змінюється в межах від 10-7 град-1 до 10-4 град-1. В об’ємі кварцової пластинки не вдається виділити окремих областей, котрі виконують функції індуктивності ємності або опору. Кварцовий резонатор в цілому еквівалентний зображеному на рис.3.6 резонансному контуру. Видно, що в еквівалентному контурі має місце як послідовний резонанс напруг в гілці LRC, так і паралельний резонанс струму в контурі LRCC0, де С0 - статична ємність резонатора, а LCR-динамічні параметри резонатора. Послідовний резонанс має місце на частоті

                          р =2р (LC)-1/2                           (3.6)

а паралельний на частоті

                        а=2а СефL-1/2 = [(C+C0)/LCC0]-1/2            (3.7)

Рис.3.7. Залежність імпедансу Z і його реактивної складової Х від частоти для кварцового резонатора.

Типові залежності імпедансу резонатора і його реактивної складової від частоти зображені на схематичному рис.3.7. Видно, що в частотному інтервалі  = а - р, коли має місце резонанс, опір контуру носить індуктивний характер, а при інших частотах - характер ємності. На частотах р і а опір активний (Za=Ra, Zp=Rp). Величина добротності Q - відношення реактивної потужності Pr до активної Ра визначається величинами L і С

          Q = Pr/Pa = (L/C)1/2/R     (3.8)

Для кварцового резонатора вона має більші значення 104...106 по відношенню до керамічних резонаторів, для яких вона становить  102...104.

Кварцові резонансні п´єзоперетворювачі широко використовуються для стабілізації частот та частотної селекції, а також як п’єзоелектричні перетворювачі різних фізичних величин, наприклад, генератори та приймачі звуку та ультразвуку, п’єзоелектричні термометри, датчики сили або тиску, п’єзоелектричні двигуни, датчики вібрацій, малих переміщень, маси тощо.


  1.  (Находкін Електро стр. 348-350) Методи управління світловими потоками в мікроелектроніці. Фізичні явища, що використовуються.

Для створення систем управління світловими променями використовують різноманітні явища: електрооптичні, акусто-оптичні, магнітооптичні тощо. Використання цих явищ дає змогу створювати цілу низку приладі: фільтрів, кореляторів, модуляторів, дефлекторів, поляризаторів, систем аналогової обробки оптичних сигналів та процесорів. Деякі приклади принципів будови таких приладів вже розглядалось в §10.5, нові будуть наведені в §10.7. Тому в цьому параграфі наведемо лише приклади побудови модуляторів і дефлекторів.

Рис.10.72. Модулятори

 

Модулятори - пристрої, котрі призначені для зміни амплітуди і фази оптичного сигналу зовнішнім модулюю-чим сигналом. Для модуляції використовують такі явища:

безпосереднє управління випромінюванням інжекційного напівпровідникового лазера за допомогою струму накачки;

зміною прозорості напівпровідників поблизу краю поглинання в електричному полі - ефект Франка-Келдиша;

електрооптичні ефекти - ефекти Поккельса і Кера ( ефект Поккельса - лінійна зміна показника заломлення звичайного променю від напруженості електричного поля в одновісних кристалах; ефект Кера - квадратична залежність показника заломлення від Е);

Рис.10.73. Дефлектори.

магнітооптичні ефекти - зміна оптичних сталих речовини під дією магнітного поля;

зміною просторового перерозподілу світлового потоку при його інтерференції на середовищах збурених акусто-оптичними і магніто-оптичними ефектами.

 Дефлектори призначені для зміни просторового положення світлового променю. Основні явища, що використовуються для цього зібрані систематизовані на рис.10.73. Типовим прикладом просторового модулятора є електроно-оптичний дефлектор. Його принципова схема зображена на рис. 10.74 Він являє собою багатокаскадну систему, кожний каскад якої складається із оптичного поляризаційного модулятора і дохпроменезаломлюючого кристала якому використовується елетро-оптичгий ефект. В модуляторі під дією електричного поля вхідного модулюючого сигналу виникає зміна

показника заломлення звичайного променю. Промінь складається із двох складових звичайного і незвичайного променів, котрі мають різні фазові швидкості. Проходячи крізь пластинку двохпроменезаломлюючого кристала вони розділяються за напрямками. При кількість каскадів К, що використовуються, можна  здійснити 2К положень променю. Поляризаційні модулятори виготовляють із кристалів калій дигідрофосфату (KH2PO4) - кристала КДП, амоній дигідрофосфату (NH4H2PO4) - кристалів АДП і кристалів ніобату літію (LiNbO3). Двохпроменовозаломлюючі пластинки в дефлекторах виготов-ляються із кристалів кальциту (СаСО3) або використовується призма Воластона. Хоча принцип дії цих цифрових дефлекторів досить прозорий і вони забезпечують швидкодію на рівні до 107 преключень за секунду, проте зустрічаються труднощі виготовлення цих приладів, пов’язані з жорсткими вимогами до точності їх виготовлення. Тому використовують і інші дефлектори,  зокрема засновані на акусто-оптичній дифракції.

 

Рис.10.74. Схема електроно-оптичного дефлектора


90 .Визначити питомий опір матеріалу, що використовується для створення мікроелементів інтегральних схем, котрі складаються із 106 окремих елементів на см-2. При якій концентрації носіїв заряду в матеріалі можна відтворювати елементи з точністю 0,01 за концентрацією.

Ом-1*см

6 На протязі доби людина розвиває середню потужність лише 10Вт.

3 Більш точно Ir знаходиться за допомогою розв’язку рівняння  з граничними умовами при х=0   (n-n0)=(n-n0)0exp{eVe/kT}; при х=w   n-n0=0, тоді = {Ch(w/Ln)}-1.

2 Густину електронних станів в двовимірному випадку можна знайти таким чином 1=.

3 Більш точно Ir знаходиться за допомогою розв’язку рівняння  з граничними умовами при х=0   (n-n0)=(n-n0)0exp{eVe/kT}; при х=w   n-n0=0, тоді = {Ch(w/Ln)}-1.

19 - оптична ефекткивність.

20 Зокрема при конструюванні фотодетекторів застосовують просвітлення (зменшення R) системи та піклуються про те, щоб світло поглиналось на віддалях менших, ніж глибина дифузії носіїв (1/La<Ln,p,D+).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17043. Управління процесом завантаження ОС. Створення завантажувальної дискети 205.5 KB
  Практична робота №7. Тема: Управління процесом завантаження ОС. Створення завантажувальної дискети. Мета: Навчитися створювати завантажувальну дискету різними способами. навчитися використовувати її у разі аварійної ситуації в роботі ПК. Устаткування: ПК. Операці...
17044. Установка нового устаткування (Plug Play). Редагування властивостей типів файлів 358.5 KB
  Практична робота №8. Тема:Установка нового устаткування PlugPlay. Редагування властивостей типів файлів. Мета: Навчитися встановлювати нове устаткування з використанням майстра Установка устаткування а також редагувати властивості типів файлів. Устаткування: ПК....
17045. Конструирование одежды из натуральной и искусственной кожи, комплексных и нетканых материалов 191.5 KB
  Натуральная кожа – это материал, получаемый из шкур животных некоторых видов путем комплексного воздействия на них разнообразных физико-механических операций. Различают верхний слой натуральной кожи (лицевой) и нижний (бахтармяный - нелицевой).
17046. Робота з оболонкою Norton Commander 79.5 KB
  Практична робота №11 Тема: Робота з оболонкою Norton Commander. Мета: Ознайомитися з прийомами роботи у файлових менеджерах на прикладі оболонки Norton Commander. Устаткування: ПК. Операційна система Windows Оболонка Norton Commander. Правила ТБ. Методичні рекомендації. Використ...
17047. Створення і виконання командних файлів 58.5 KB
  Практична робота №12 Тема: Створення і виконання командних файлів. Мета: Навчитися створювати командні файли. Устаткування: ПК. Операційна система Windows. Індивідуальне завдання Створити командний файл який чистить екран; висновок поточний час; виводить поточну д
17048. Створення і запуск програми на асемблері 50.5 KB
  Практична робота №18 Тема: Створення і запуск програми на асемблері Мета: Навчитися створювати і запускати прості програми на асемблері. Устаткування: ПК. Програма Turbo Assembler 5.0. Правила ТБ. Методичні рекомендації. masm model small .data message db 'Hello wo...
17049. Програмування арифметичних дій на асемблері 163.5 KB
  Практична робота №20 Тема: Програмування арифметичних дій Мета: Навчитися резервувати і ініціалізувати пам'ять під програми на асемблері. Устаткування: ПК. Програма Turbo Assembler 5.0. Правила ТБ. Методичні рекомендації. Індивідуальне завдання Прикл
17050. Використання редактора реєстру Windows XP 94.5 KB
  Практична робота №14 Тема: Використання редактора реєстру. Мета: Ознайомитися з редактором реєстру Windows XP навчитися здійснювати пошук інформації в реєстрі а також здійснювати зміни в реєстрі. Устаткування: ПК. Операційна система Windows. Індивідуальне завдання ...
17051. Основні прийоми роботи в середовищі Windows 976 KB
  Практична робота №1 Тема: Основні прийоми роботи в середовищі Windows. Мета: вивчити структуру робочого столу і властивості основних об'єктів. Призначення: ознайомитися з основними об'єктами робочого столу теками Мій комп'ютер Мережеве оточення Корзина і пане